超高速切削是以優(yōu)質(zhì)、高效為特征的先進(jìn)制造技術(shù)，它可以帶動(dòng)高速切削機(jī)理、高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、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(zhǎng)等優(yōu)良性能，在數(shù)控機(jī)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(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是高速加工機(jī)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(dòng)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(dòng)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(shí)現(xiàn)診斷和在線監(jiān)控。但實(shí)踐表明，這種軸承由于電磁測(cè)控系統(tǒng)過于復(fù)雜，至今未能得到廣泛應(yīng)用。液體動(dòng)靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，但這種軸承必須根據(jù)具體機(jī)床專門進(jìn)行設(shè)計(jì)，單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維護(hù)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)化程度高，價(jià)格低，對(duì)機(jī)床改動(dòng)小，便于維護(hù)保養(yǎng)，特別適合高速運(yùn)行場(chǎng)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(duì)滾道進(jìn)行涂層處理或其他表面處理。
2 試驗(yàn)研究
試驗(yàn)條件
本次試驗(yàn)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(jí)是G3級(jí)，裝配時(shí)球與套圈按規(guī)定值精細(xì)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。
本試驗(yàn)采用熱電偶測(cè)溫法測(cè)量主軸前端軸承外圈的溫升。又利用PDB測(cè)量高速電主軸前、后端的振動(dòng)頻譜。分析兩種軸承對(duì)電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度的影響。
試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析
主軸軸承的溫升
A型主軸轉(zhuǎn)速低于15000r/min時(shí)，兩種軸承的溫升基本相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速高于15000r/min時(shí)，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承。鋼軸承溫升增長(zhǎng)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(shí)，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(shí)，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(shí)，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(shì)與A型電主軸相似。但主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承，溫升增長(zhǎng)率比鋼軸承小。當(dāng)轉(zhuǎn)速n>17000r/min時(shí)，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性。脂潤(rùn)滑條件下陶瓷球軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和油霧潤(rùn)滑時(shí)鋼軸承的運(yùn)行速度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，B型陶瓷球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間，與A型鋼球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間相近。
由上述可知，不論用油霧潤(rùn)滑還是脂潤(rùn)滑，在高速或潤(rùn)滑不足時(shí)，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承。分析認(rèn)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(shí)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(yùn)轉(zhuǎn)下，軸承承受的總負(fù)荷包括初期預(yù)緊力和軸承內(nèi)部負(fù)荷。內(nèi)部負(fù)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(dòng)體的散熱條件最差，內(nèi)圈和滾動(dòng)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(shí)的預(yù)緊力大于裝配時(shí)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(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，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(yàn)結(jié)果和分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件。
主軸振動(dòng)頻譜分析
使用高靈敏度的壓電晶體傳感器，運(yùn)用離散傅立葉原理進(jìn)行信號(hào)變換計(jì)算，是利用PDB測(cè)得的A型電主軸振動(dòng)頻譜。電主軸前端振動(dòng)加速度波動(dòng)較大，導(dǎo)致電主軸的運(yùn)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(dòng)加速度變化極小，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)精度高。對(duì)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(dòng)，提高電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和剛度。
存在的問題與對(duì)策
試驗(yàn)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(shí)，都存在著運(yùn)轉(zhuǎn)初期(低速時(shí))剛度差、精度低的問題。
分析認(rèn)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(shí)，預(yù)緊力大，軸承間隙小，剛度高；高速時(shí)，軸承內(nèi)部因高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負(fù)荷，兩者疊加，使軸承高速時(shí)實(shí)際預(yù)緊力遠(yuǎn)超過初期預(yù)緊力，導(dǎo)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(zhǎng)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(dòng)時(shí)，陶瓷球軸承間隙大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變形大、剛度差。使電主軸振動(dòng)加大，嚴(yán)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(jī)構(gòu)。低速時(shí)，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(yùn)動(dòng)狀態(tài)。主要的措施有兩種：(1)實(shí)施定位置預(yù)緊力變換。(2)重視運(yùn)轉(zhuǎn)精度，低速時(shí)，實(shí)施定位置預(yù)緊；高速時(shí)，采用預(yù)緊力可變換機(jī)構(gòu)。
3 結(jié)論
實(shí)驗(yàn)表明，將陶瓷球軸承應(yīng)用于高速主軸單元的設(shè)計(jì)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(dòng)，提高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和剛度；可以延長(zhǎng)電主軸的使用壽命，簡(jiǎn)化與之配套的潤(rùn)滑系統(tǒng)。并要解決低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。
