电主轴轴承的发展状况

　　摘　要：本文综述了电主轴轴承的发展状况及不同的轴承对电主轴的使用性能都有着不可忽视的影响；同时，阐述了根据使用性能的需要，如速度和刚度的要求，需要对轴承进行不同的安装方式。
　　关键词：电主轴；陶瓷；预紧
　　一、概述
　　电主轴是高速机床的“心脏部件”，是高速、精密且承受较大径向和轴向切削负荷的旋转部件。电主轴采用无外壳电机，直接将电机定子装配在主轴套筒内，转子和主轴的旋转部件做成一体，主轴的变速范围完全由交流变频主轴电机进行控制，使电机和机床主轴合二为一。由于电主轴具有转速高、调速范围宽、重量轻、响应快、结构简单紧凑等优点，所以得到越来越广泛的应用。
　　二、电主轴轴承的发展
　　目前，电主轴采用的轴承主要有滚动轴承、流体静压轴承和磁悬浮轴承。
　　滚动轴承具有刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、标准化程度高、品种规格繁多、便于维修更换等优点，因而在电主轴中得到Z广泛的应用。
　　流体静压轴承为非直接接触式轴承，具有磨损小、寿命长、旋转精度高、阻尼特性好（振动小）等优点，用于机床电主轴上，在加工零件时，可使刀具寿命长、加工表面质量高。
　　磁悬浮轴承电主轴在空气中回转，其dm•n值可以高出滚动轴承的1～4倍，Z高线速度高达200m/s（陶瓷球轴承为80m/s）。这种轴承温升低，回转精度极高（可达0.1），主轴轴向尺寸变化也很小，是一种很有发展前途的电主轴，但因价格很高，限制了它在工业上的推广应用。
　　三、陶瓷球主轴轴承
　　随着技术的发展，目前滚动轴承的使用环境和条件与过去相比更加苛刻和复杂，普通的钢制轴承已不能适应，这就提高了滚动轴承零件使用高性能陶瓷的可能性。近年来，陶瓷轴承技术的发展已经使得角接触轴承的速度能力有了很大的提高，以致陶瓷滚珠和内、外钢环组成的“混合式”轴承，几乎已成为现有高速主轴系列的标准规范。具有代表性的工程陶瓷材料氮化硅（Si₃N₄），其耐热耐腐蚀与耐磨等性能优异，而且重量轻，因此在以往钢制轴承不能适应的严酷环境或者以机床为代表的高速旋转条件下，陶瓷材料制的轴承业已实际使用。
　　陶瓷球使混合轴承具有如下优点；
　　1.高速：陶瓷球的重量仅为钢球重量的40%，这样能减少离心力和打滑，使混合轴承比传统轴承的转速提高20%～40%。
　　2.高刚性：陶瓷弹性模量比钢高50%，因此能提高刚度15%～20%，从而减轻机床主轴的振动。
　　3.耐腐蚀：陶瓷材料不活泼的化学特性使陶瓷球具有耐腐蚀性。
　　4.长寿命：陶瓷球材料比钢的硬度高，还具有较高的抗压强度。根据经验陶瓷球轴承的寿命可提高3～5倍。
　　此外，陶瓷球轴承还有低热膨胀、低发热和绝缘等性能。陶瓷球轴承性能卓越，是较理想的高速轴承，虽然成本高，但从综合的社会和经济效益来看，应用前景十分广阔。
　　用于高速主轴的滚动轴承有圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和角接触球轴承等，其中又以角接触球轴承应用Z多。角接触球轴承对于作用在转轴或主轴上的载荷可做到速度和刚度之的Z佳匹配。可同时满足以下标准规定：高精度、高转速、长寿命和高刚度等。角接触球轴承的广泛适应性、高生产率和可靠性促进了现今机床的不断发展。
　　采用主轴轴承代替圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承可以提高速度性能，但刚度性较差。采用多联配置可以克服这一缺点，如图1所示，为背对背（O）、面对面（X）和串联安装。
　　相比背对背配置，面对面配置不利于提高支撑系统的刚度。同时，主轴的热位移使轴承游隙减小，不利于提高速度性能，因此，面对面配置很少单独采用。串联配置只能承受单向轴向载荷，多数情况下须用弹簧施加预负荷，且两套轴承的接触角必须完全相等。而背对背安装的两套轴承接触角可以不同。
　　为了进一步提高刚度，已经出现三联和四联甚至五联配置，常见的几种三联和四联的配置见图2。随着轴承精度的不断提高，万能配对也已广泛采用，从而极大的简化了轴承的安装。
　　参考文献：
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　　[5]李松华.高速主轴用陶瓷球轴承的优化设计.全国零部件设计与制造会议,2002.