摘要：介紹了陶瓷球軸承的特點及其在數(shù)控機床高速主軸單元中的應(yīng)用現(xiàn)狀。通過實驗研究，對比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動特性，為HIPSN陶瓷球軸承的實際應(yīng)用提供了一定的技術(shù)依據(jù)。
超高速切削是以優(yōu)質(zhì)、高效為特征的先進制造技術(shù)，它可以帶動高速切削機理、高速主軸單元、高加減速直線進給電動機、高性能控制系統(tǒng)等一系列相關(guān)單元技術(shù)的發(fā)展。高速主軸單元的支承核心是高速主軸軸承。陶瓷軸承以其耐高速、重量輕、壽命長等優(yōu)良性能，在數(shù)控機床高速主軸單元中被廣泛應(yīng)用。
1 高速主軸單元與主軸軸承
高速主軸單元是實現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是高速加工機床的關(guān)鍵部件。高速主軸單元的核心是高速精密軸承，其性能直接影響主軸單元的工作性能。隨著速度的提高，軸承的溫度升高，振動和噪聲增大，壽命降低。因此，提高主軸轉(zhuǎn)速的前提是研制開發(fā)出性能優(yōu)越的高速主軸軸承。目前，在高速主軸單元中，主軸的支承主要采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承、陶瓷球軸承三種形式。磁浮軸承的高速性能好、精度高，容易實現(xiàn)診斷和在線監(jiān)控。但實踐表明，這種軸承由于電磁測控系統(tǒng)過于復雜，至今未能得到廣泛應(yīng)用。液體動靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動壓軸承的優(yōu)點，但這種軸承必須根據(jù)具體機床專門進行設(shè)計，單獨生產(chǎn)，標準化程度低，維護保養(yǎng)也困難。
目前，應(yīng)用最多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承，即滾動體使用熱壓或熱等靜壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標準化程度高，價格低，對機床改動小，便于維護保養(yǎng)，特別適合高速運行場合。它的d·n值已超過2.7×106。為了增加軸承的使用壽命，可增加滾道的耐磨性，對滾道進行涂層處理或其他表面處理。
2 試驗研究
試驗條件
本次試驗所用陶瓷球軸承參數(shù)如表1所示。所用陶瓷球的材料為HIPSN(熱等靜壓Si3N4)，精度等級是G3級，裝配時球與套圈按規(guī)定值精細選配。該軸承采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，并使用外圈薄形保持架。試驗中所用鋼軸承與陶瓷球軸承具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
試驗所用的電主軸有兩種型號，分別為A型和B型。結(jié)構(gòu)示意見圖1，軸承安裝形式為DBB。表2是兩種電主軸的主要性能參數(shù)。
表1 試驗用陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)
| 型號 | 外觀尺寸(mm) | 球徑(mm) | 球數(shù) | 原始接觸角 | 陶瓷球材料 | 保持架材料 | 套圈材料 |
| B7007CY | 35×62×14 | 7.144 | 16 | 15 | HIPSN | 樹脂 | GCr15 |
表2 電主軸的主要性能參數(shù)
| 型號 | 極限轉(zhuǎn)速(r/min) | 主軸直徑(mm) | 輸出功率(kW) | 潤滑方式 |
| A型 | 30000 | 35 | 4.5 | 油霧 |
| B型 | 24000 | 35 | 4.5 | 脂 |
圖1 高速主軸單元結(jié)構(gòu)簡圖
本試驗采用熱電偶測溫法測量主軸前端軸承外圈的溫升。又利用PDB測量高速電主軸前、后端的振動頻譜。分析兩種軸承對電主軸運轉(zhuǎn)精度的影響。
試驗測試結(jié)果分析
1) 主軸軸承的溫升
根據(jù)兩種高速電主軸的實驗數(shù)據(jù)繪制的溫升特性曲線可見，A型主軸轉(zhuǎn)速低于15000r/min時，兩種軸承的溫升基本相同。當轉(zhuǎn)速高于15000r/min時，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承。鋼軸承溫升增長率比陶瓷球軸承的快。
A型主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至極限轉(zhuǎn)速30000r/min時，鋼軸承溫度由4℃上升至35℃；主軸轉(zhuǎn)速由35000r/min上升至40000r/min時，陶瓷球軸承溫度由35℃上升至43℃，為防止溫度過高損壞陶瓷球軸承，停止繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速。在相同溫升水平上，即溫升為35℃時，裝有陶瓷球軸承的電主軸轉(zhuǎn)速比鋼軸承電主軸提高約17%。
B型主軸軸承溫升的總體變化趨勢與A型電主軸相似。但主軸轉(zhuǎn)速較低時，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承，溫升增長率比鋼軸承小。當轉(zhuǎn)速n>17000r/min時，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性。脂潤滑條件下陶瓷球軸承的運轉(zhuǎn)速度和油霧潤滑時鋼軸承的運行速度相當。實驗中發(fā)現(xiàn)，B型陶瓷球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間，與A型鋼球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間相近。
由上述可知，不論用油霧潤滑還是脂潤滑，在高速或潤滑不足時，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承。分析認為：(1)HIPSN的密度僅為軸承鋼的40%。由于陶瓷球產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩小，使陶瓷球軸承發(fā)熱量少。(2)陶瓷和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)比鋼和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生的熱量少，溫升也低。(3)軸承在裝配時需要預(yù)緊，預(yù)緊力越大，變形和發(fā)熱越多，軸承溫升也越快。軸承高速運轉(zhuǎn)下，軸承承受的總負荷包括初期預(yù)緊力和軸承內(nèi)部負荷。內(nèi)部負荷由離心力和熱膨脹差引起。在軸承中軸承外圈散熱較好，內(nèi)圈次之，滾動體的散熱條件最差，內(nèi)圈和滾動體由于溫升而引起的熱膨脹量大于外圈的熱膨脹量，軸承工作時的預(yù)緊力大于裝配時的原始預(yù)緊力，從而使摩擦發(fā)熱增加，軸承溫升增大。由于HIPSN陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，故當轉(zhuǎn)速提高時，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多。資料表明，陶瓷球軸承的內(nèi)圈材料采用熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%的不銹鋼、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升。
從上述試驗結(jié)果和分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉(zhuǎn)條件。
主軸振動頻譜分析
使用高靈敏度的壓電晶體傳感器，運用離散傅立葉原理進行信號變換計算，利用PDB測得的A型電主軸振動頻譜可見，電主軸前端振動加速度波動較大，導致電主軸的運轉(zhuǎn)精度降低、剛度下降。裝有陶瓷球軸承的電主軸前端振動加速度變化極小，主軸運轉(zhuǎn)的動態(tài)精度高。對比兩種類型電主軸表明，使用陶瓷球軸承，可以有效地減小電主軸的振動，提高電主軸的運轉(zhuǎn)精度和剛度。
存在的問題與對策
試驗中發(fā)現(xiàn)，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉(zhuǎn)速較低時，都存在著運轉(zhuǎn)初期(低速時)剛度差、精度低的問題。
分析認為，主要由軸承間隙和工作預(yù)緊力的變化影響所致。低速時，預(yù)緊力大，軸承間隙小，剛度高；高速時，軸承內(nèi)部因高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負荷，兩者疊加，使軸承高速時實際預(yù)緊力遠超過初期預(yù)緊力，導致軸承溫升高，使用壽命低，易出現(xiàn)早期燒結(jié)損傷。因此，為延長軸承壽命，要求陶瓷球軸承的初期預(yù)緊力要小一些。但初期預(yù)緊力過小，主軸啟動時，陶瓷球軸承間隙大，運轉(zhuǎn)時變形大、剛度差。使電主軸振動加大，嚴重影響電主軸的加工精度。
解決方法是研究開發(fā)軸承預(yù)緊力可變換機構(gòu)。低速時，陶瓷球軸承預(yù)緊力大，隨著轉(zhuǎn)速的提高，軸承預(yù)緊力逐漸變小，使陶瓷球軸承始終處于良好的運動狀態(tài)。主要的措施有兩種：(1)實施定位置預(yù)緊力變換。(2)重視運轉(zhuǎn)精度，低速時，實施定位置預(yù)緊；高速時，采用預(yù)緊力可變換機構(gòu)。
3 結(jié)論
實驗表明，將陶瓷球軸承應(yīng)用于高速主軸單元的設(shè)計和制造，可以有效提升主軸的極限轉(zhuǎn)速，減小高速主軸的振動，提高主軸的運轉(zhuǎn)精度和剛度；可以延長電主軸的使用壽命，簡化與之配套的潤滑系統(tǒng)。并要解決低速運轉(zhuǎn)條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。
