摘要：介紹了陶瓷球軸承的特點及其在數控機床高速主軸單元中的應用現狀。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用提供了一定的技術依據。

超高速切削是以優質、高效為特征的先進制造技術，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、高性能控制系統等一系列相關單元技術的發展。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、壽命長等優良性能，在數控機床高速主軸單元中被廣泛應用。

1 高速主軸單元與主軸軸承

高速主軸單元是實現高速加工的關鍵技術之一，也是高速加工機床的關鍵部件。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，提高主軸轉速的前提是研制開發出性能優越的高速主軸軸承。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，容易實現診斷和在線監控。但實踐表明，這種軸承由于電磁測控系統過于復雜，至今未能得到廣泛應用。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點，但這種軸承必須根據具體機床專門進行設計，單獨生產，標準化程度低，維護保養也困難。

目前，應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，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定值精細選配。該軸承采用“小珠密珠”結構，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構參數。

試驗所用的電主軸有兩種型號，分別為A型和B型。結構示意見圖1，軸承安裝形式為DBB。表2是兩種電主軸的主要性能參數。

表1 試驗用陶瓷球軸承結構參數

表2 電主軸的主要性能參數

圖1 高速主軸單元結構簡圖

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精度的影響。

試驗測試結果分析

1) 主軸軸承的溫升

根據兩種高速電主軸的實驗數據繪制的溫升特性曲線可見，A型主軸轉速低于15000r/min時，兩種軸承的溫升基本相同。當轉速高于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型主軸轉速由2000r/min上升至極限轉速30000r/min時，鋼軸承溫度由4℃上升至35℃；主軸轉速由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，停止繼續升高轉速。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速度和油霧潤滑時鋼軸承的運行速度相當。實驗中發現，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%。由于陶瓷球產生的離心力和陀螺力矩小，使陶瓷球軸承發熱量少。(2)陶瓷和鋼組成的摩擦副的摩擦系數比鋼和鋼組成的摩擦副的摩擦系數小，產生的熱量少，溫升也低。(3)軸承在裝配時需要預緊，預緊力越大，變形和發熱越多，軸承溫升也越快。軸承高速運轉下，軸承承受的總負荷包括初期預緊力和軸承內部負荷。內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，內圈次之，滾動體的散熱條件最差，內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，軸承工作時的預緊力大于裝配時的原始預緊力，從而使摩擦發熱增加，軸承溫升增大。由于HIPSN陶瓷材料的熱膨脹系數僅為軸承鋼的25%，故當轉速提高時，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多。資料表明，陶瓷球軸承的內圈材料采用熱膨脹系數比軸承鋼小20%的不銹鋼、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升。

從上述試驗結果和分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉條件。

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，主軸運轉的動態精度高。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，提高電主軸的運轉精度和剛度。

存在的問題與對策

試驗中發現，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉速較低時，都存在著運轉初期(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緊力的變化影響所致。低速時，預緊力大，軸承間隙小，剛度高；高速時，軸承內部因高速運轉產生較大負荷，兩者疊加，使軸承高速時實際預緊力遠超過初期預緊力，導致軸承溫升高，使用壽命低，易出現早期燒結損傷。因此，為延長軸承壽命，要求陶瓷球軸承的初期預緊力要小一些。但初期預緊力過小，主軸啟動時，陶瓷球軸承間隙大，運轉時變形大、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軸承預緊力可變換機構。低速時，陶瓷球軸承預緊力大，隨著轉速的提高，軸承預緊力逐漸變小，使陶瓷球軸承始終處于良好的運動狀態。主要的措施有兩種：(1)實施定位置預緊力變換。(2)重視運轉精度，低速時，實施定位置預緊；高速時，采用預緊力可變換機構。

3 結論

實驗表明，將陶瓷球軸承應用于高速主軸單元的設計和制造，可以有效提升主軸的極限轉速，減小高速主軸的振動，提高主軸的運轉精度和剛度；可以延長電主軸的使用壽命，簡化與之配套的潤滑系統。并要解決低速運轉條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。