陶瓷球轴承在数控机床主轴单元中的试验研究

    摘要：通过理论分析与实验研究，对比分析了两种类型主轴单元的温升、振动特性，为陶瓷球轴承的实际应用提供一定的依据。

    近年来，国外生产的数控机床或加工中心，其主轴系统很多都采用了陶瓷轴承和电机主轴结构。国内在这方面的研究尚处于起步阶段。 

    1 数控机床主轴单元与高速主轴轴承

    超高速切削是以优质、高效为特征的先进制造技术，它可以带动高速切削机理、高速主轴单元、高加减速直线进给电机、高性能控制系统等一系列相关单元技术的发展。高速主轴单元是实现高速、优质加工的最关键的技术领域之一，同时也是高速加工机床最为关键的部件。现代高速机床主轴多数采用的是内装式主轴电机一体化的主轴单元，即所谓电主轴。电主轴是机床高速主轴单元的一种较理想结构。 

    高速主轴单元的核心是高速精密轴承，其性能好坏将直接影响主轴单元的工作性能。 随着速度的提高，轴承的温度升高，振动和噪音增大，寿命降低。因此，提高主轴转速的前提是研制开发出性能优良的高速主轴轴承。目前，在高速主轴单元中，主轴的支承主要采用磁浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承三种形式。 磁浮轴承的高速性能好、精度高，容易实现诊断和在线监控。但实践表明，这种轴承由于电磁测控系统过于复杂，至今未能得到广泛应用。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点。但这种轴承必须根据具体机床专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护保养也困难。 

    目前，应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承。即滚动体使用热压或热等静压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，价格低，对机床结构改动小，便于维护保养，特别适合高速运行场合。它的K值已超过2.7×106。为了增加轴承的使用寿命，可增加滚道的耐磨性，对滚道进行涂层处理或其他表面处理。 

    2 试验研究

    试验条件

    所用陶瓷球的材料为HIPSN(热等静压Si3N4)，精度等级是G3级，装配时球与套圈按规值精细选配。该轴承采用“小珠密珠”结构，并使用外圈薄形保持架。试验中所用钢轴承与陶瓷球轴承具有相同的结构参数。 

    本试验采用热电偶测温法测量主轴前端轴承外圈的温升。又利用PDB测量高速电主轴前、后端的振动频谱。分析两种轴承对电主轴运转精度的影响。