超高速主轴轴承

　　摘　要：介绍用于机床高速主轴的两种超高速角接触球轴承：小滚珠和陶瓷滚珠轴承。这种轴承具有优越的高速性能，低发热和高刚度。
　　关键词：机床；主轴轴承；滚珠；陶瓷；d_mn值；刚度；转速 　　随着机床技术的发展，主轴的转速越来越高。目前，一般高速主轴多用角接触球轴承，接触角有15°和25°两种。其中15°接触角的轴承允许的转速要高一些，但轴向承载能力和刚度要低些。通常，15°接触角的角接触球轴承多用于磨床、铣床和高速加工中心。随着主轴转速的进一步提高，这类轴承已往往不能满足要求。必须开发新的超高速轴承。
　　一般的15°接触角的单个角接触球轴承，在轻预紧、脂润滑下，d_mn值可达1×10⁶mm•r/min；油气润滑下，可达1.4×10⁶mm•r/min。如果d_mn值过高，由于很大的离心力，球与外圈滚道间的接触压力会很大，从而降低轴承的寿命。在很大的离心力作用下，球与外圈滚道的接触角减小了，甚至可降至零；球与内圈滚道的接触角加大了。前者使轴承的轴向刚度降低，后者使径向刚度降低。此外，转速过高将在球上作用一个很大的陀螺力矩，使发热增加和保持架产生额外的应力。
　　因此，为了进一步提高轴承的转速，必须减小球的质量。国外近来开发了两种超高速轴承，接触角都是15°。一种是小球轴承，球径比一般的轴承小；一种是陶瓷球轴承，不仅球径小，而且材料为陶瓷（内、外圈仍为钢制）。轮廓尺寸则与一般角接触轴承完全相同，可以互换。当然近期来还开发了内外圈皆用陶瓷的全陶瓷轴承。
　　球的直径小了，球的质量可以减小。在保持离心力基本不变的条件下，转速约可提高40％。SKF公司这类轴承的代号为CE。有特轻和超轻系列两种，代号分别为7000CE和71900CE。脂润滑的Z大d_mn值为1.4×10⁶mm•r/min；油气润滑的为2.1×10⁶mm•r/min。日本NSK公司，特轻系列称BNC10型（如d=70mm，称70BNC10），超轻系列称BNC19型（如d=70mrn，称70BNC19)。d_mn值脂润滑可达1.2×10⁶mm•r/min；油气润滑的为1.7×10⁶mm•r/min。
　　陶瓷球的材料为氮化硅（Si₃N₄），白色。它的密度为3.2×10³kg/m³，仅为钢（7.8×10³）的40％。采用小直径的陶瓷球可以进一步减小球的质量，从而进一步提高转速。SKF公司的代号为CE/HC，脂润滑时d_mn值可达1.7×10⁶mm•r/min；油气润滑时可达2.5x10⁶mm•r/min。
　　这类轴承的预紧力有轻预紧和中预紧两种，SKF代号分别为A和B。
　　这类轴承往往是多联的，即几个轴承成组使用。这时，前述的d_mn值应乘以下表修正系数。 　　例如陶瓷球轴承，若内径为80mm，特轻系列，则外径为125mm，中径为102.5mm。油气润滑时，单个轴承的d_mn值为2.5×10⁶mm•r/min，则转速可达2.5×10⁶/102.5=24000r/min。如为四联组合，轻预紧，则转速可达24000×0.55=12000r/min。可见，这类轴承能达到的转速是很高的。
　　超高速轴承由于球较小，承载能力下降了。比之一般轴承，额定动负荷约下降40%左右。但是，考虑到机床主轴负荷不大，高速主轴负荷更轻，因此不致发生问题。球小了，球数却增加了。球轴承的刚度，与球径的1/3次幂，球数的2/3次幂成正比。因此，这种轴承的刚度还有所提高。特别是陶瓷球的轴承，由于陶瓷的弹性模量约为3.14×10⁵MPa，比钢（2.08x10^5）约高50%，故刚度将更高一些。