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电主轴用高速角接触陶瓷球轴承

上海大学2011～2012学年秋季学期研究生课程考试

小论文

课程名称：

现代支承理论与技术专题课程编号：

09SAS9022（专硕09Z078006）

论文题目：

电主轴用高速角接触陶瓷球轴承

研究生姓名：

学号：

论文评语：

成绩：

任课教师：

评阅日期：

电主轴

电主轴的结构及特点

电主轴（High-speedEletricSpindle）是将主轴和电机集成在一起的部件，主轴是电机的转子，定子装入主轴套体内，这种结构减少了振动，增加了可靠性，可以获得高转速和高的加（减）角速度[3]。

其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。

从机床的主传动系统来看，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、齿轮、离合器等），实现了主电机与机床主轴的一体化。

电主轴的这种传动方式有以下优点[4]：

（1）机械结构简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度和定角度的快速准停。

（2）采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术输出功率大，调速范围宽，有比较理想的扭矩-功率特性。

（3）实现了主轴部件的单元化，可独立做成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产。

（4）减少了主轴的振动，减小了噪音，提高了主轴的回转精度。

电主轴国内外发展现状

国外电主轴的开发比较早，目前美国、日本、德国和瑞士等工业发达国家已经生产了多种商品化高速机床。

机床主轴部件业已经开始专业化生产，且产品已经系列化[5]。

例如瑞士生产的HSM700型高速立式加工中心，其主轴最高转速可达42000r/min，最大进给速度40m/min，主轴的驱动功率14kw。

日本生产的VZ40型加工中心，主轴的最高转速可达到50000r/min，最大进给速度20m/min，主轴的驱动功率为18.5kw[6]。

目前我国已经开发了最高转速到24000r/min的电主轴，已经小批量装备国产机床。

国内钻、铣主轴最高转速已达到80000r/min，并且具有自动拉刀机构，可以实现快速换刀功能。

我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起，目前尚未形成批量生产规模，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。

高转速、高精度的数控机床和加工中心所用的电主轴，大部分都是从国外进口的[7]。

国内外高速电主轴的差距

与国外同类产品相比，国产电主轴无论在品种和质量方面，还是在性能方面都有较大的差距：

①转速：

国外用于加工中心等数控机床的电主轴转速已达75000r/min，国内电主轴多在15000r/min以下；其他类型的电主轴，国外最高转速为300000r/min，我国最高转速则为150000r/min。

②输出扭矩：

国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达300N·m以上，我国则多在100N·m以内。

③dmn值：

国外电主轴轴承的dmn值一般在100万以上，磁悬浮轴承的dmn值可达400万以上；国内电主轴轴承的dmn值一般不超过100万。

④轴承：

国外电主轴多采用转速高、刚度大的陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊情况下采用气体轴承和磁悬浮轴承；国内电主轴轴承主要从国外进口，国产轴承以钢质角接触球轴承为主，工作寿命短。

⑤电主轴产品化：

国外电主轴已系列化、专业化，国产电主轴处于研发试制、小批量生产阶段，仍主要依赖进口。

⑥配套技术：

电主轴润滑技术、电机矢量控制、交流伺服控制技术、轴端设计、精确定向等配套技术，国内仍然不够成熟。

⑦其他：

国产电主轴平均寿命较短，不超过900小时；关键零件的精密加工和装配水平也有较大差距。

结构原理图

1.前轴承2.定子3.冷却水套4.壳体5.出水管6.进气管

7.主轴8.转子9.进水管10.后轴承

基本参数

电主轴的型号（套筒直径、最高转速、输出功率等）

转速n（p为驱动电动机的极对数2、4、6、8等）

输出功率P

输出转矩M（最大转矩、额定转矩）

Dmn值（反应电动机功率和转速）

刚度和精度

恒转矩调速

主轴在一定转速范围内改变转速时，输出转矩不变的调速方式。

一般的磨削用电主轴及小型铣削用电主轴都为恒转矩电主轴。

恒功率调速

在一定转速范围内改变转速时，输出功率可保持不变的调速方式。

一般在起步及低速段采用恒转矩调速，而高速段采用恒功率调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的切削要求。

关键技术：

高速轴承技术

高速电机技术

结构说明及油气润滑

冷却装置

内置脉冲编码器

自动换刀装置

高速刀具的装卡方式

高频变频装置

轴承技术

轴承技术是超高速主轴系统的一项关键技术。

采用较多的轴承形式有：

1磁悬浮轴承、

2动静压轴承

3和陶瓷球轴承。

磁悬浮轴承

优点：

机械磨损小‘能耗低、噪音小、寿命长、无需润滑、无油污染。

而且磁悬浮轴承还是可控轴承，刚度和阻尼可调。

缺点：

价格昂贵、控制系统复杂。

发热问题不易解决。

动静压轴承

优点：

综合了动压轴承和静压轴承的优点的新型多油鍥油膜轴承，既避免了静压轴承告诉下发热严重和供油系统庞大复杂的缺点，与克服了动压轴承启动和静止时可能发生的干摩擦的弱点，很很好的高速性能。

且调速范围广。

缺点：

必须进行专门的设计及单独生产，标准化程度低，维护也困难，目前应用较少。

陶瓷球轴承

优点：

1、陶瓷的密度比轴承钢的密度低。

同等条件下，离心力降低可以延长高速轴承的寿命

2、陶瓷材料在高温条件下。

强度和硬度保持不变。

因而在高温条件下可取代金属轴承材料。

3、陶瓷轴承的热膨胀系数低。

4、陶瓷材料的热润滑性好，有利于降低滚动体和套圈滚到的摩擦力。

缺点：

制造困难，造价较高。

氮化硅陶瓷球轴承特性

复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。

不同陶瓷材料与轴承钢性能见表1．1。

轴承相比有如下基本特性：

（1）转速高：

氮化硅的密度仅为轴承钢的40％，由于陶瓷球的质量小，高转速下，产生的离心力小，由此引起的轴承内应力也低，故能达到较高转速。

（2）刚性大：

氮化硅的弹性模量约为轴承钢的1．5倍。

根据赫兹理论，对两弹性接触体，材料的弹性模量越高，相同载荷下，两物体的接触变形越小，即接触刚度越大。

（3）摩擦发热小、温升低：

由于陶瓷球轴承高速旋转时，球离心力低，内圈和外圈的接触角之差较小，轴承的旋滚比、陀螺力矩相应较小。

同时，由于陶瓷材料的弹性模量大，在接触区形成～个较小的压力椭圆，轴承的摩擦力矩低，形成良好的运转特性，所以陶瓷球轴承在高速时较钢制轴承摩擦发热小，温升低。

（4）热稳定性好：

氮化硅材料的热膨胀系数约是轴承钢的1／4，高速旋转条件下，当轴承温度升高时，球和套圈的热膨胀差引起的轴承内部载荷变化相对缓和，即预紧力变化小，轴承的温度变化小。

（5）寿命高：

陶瓷球轴承的运转性能好与陶瓷材料的热膨胀系数小有关。

因此陶瓷球轴承在脂润滑条件下比钢制轴承有更长的使用寿命，应用于机床对还可节省油一气润滑系统，降低生产成本。

由表1可知Si3N4材料的密度只有钢的41％，在高速运转时可大幅降低钢球受到的离心力，从而减小滚珠对轴承外圈的压力，利于实现高速性能；Si3N4陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的1／4，许用工作温度达1000°C，即使在较大温度变化范围内，滚道间隙的变化也很小，特别适用于高速发热转子。

有关高速角接触轴承分析方面的研究，国内外学者已作了一定的工作，并得出了基本一致的结论：

如随着转速的升高，离心力及陀螺力矩的影响逐渐明显，导致轴承外圈接触角变小，内圈接触角变大，轴承径向刚度降低；增大轴向预紧力，有利于提高轴承径向刚度。

陶瓷球轴承几何特性参数分析

根据外圈滚道控制理论来建立动力学计算模型。

图1角接触球轴承未受载荷时的初始状态图，内外圈接触角均为α。

图2为各滚动体的角位置编号。

施加预紧载荷并开始运转后，轴承内外圈接触角将发生变化，同时，轴承套圈及滚动体的曲率中心将发生变化，同时，轴承套圈及滚动体的曲率中心将发生移动。

图3为任一角位置处滚动体的受力分析图。

根据赫兹接触理论，接触力Q与接触变形之间的关系为：

由动力学理论可得出离心力Fc、陀螺力矩Mg及摩擦力Fe。

注：

下标i与P分别用来表达与内圈滚道和外圈滚道有关的参数，下标j是指滚动体的角位置编号。

K是与滚道及滚珠曲率半径和材料特性有关的常量。

P指滚珠密度；Db为滚珠直径；J为滚珠的转动惯量。

根据图2可列出每个滚动体水平和竖直方向的受力平衡方程：

还可得出轴承内圈在水平和竖直方向的受力平衡方程：

Fa及Fr所分别为轴承的轴向及径向外载荷。

还应补充滚动体与内外圈滚道间的位移及变形协调关系。

如图4所示

另外，还可由图4得到以下关系：

轴承轴向刚度Ka。

及径向刚度Kr，可分别按下式计算：

式中，δa为轴承圈相对于外圈的轴向位移，δr为内圈相对于外圈的径向位移。

联立式（6）一（11），可得到以δijδejδaδr和XrjXaj为未知量的非线性方程组。

可以解得以上未知量。

动态特性参数分析

陶瓷球轴承动态特性分析包括：

大小、旋滚比刚度内圈的移动、接触应力、接触角变化、离心力及陀螺力矩变化等。

并同时考虑转速及外加载荷对轴承性能的影响

计算结果与讨论

使用的NSK公司的7015ASN24TYNDBLP4型陶瓷角接触球轴承及同规格的钢球轴承为计算对象，用牛顿一拉弗松法编程求解非线性方程组。

1、负荷与应力

图5、图6分别是滚珠受到的离心力与陀螺力矩随转速而变化的曲线。

从图5可以看出，在高速时滚珠离心力是相当大的，一个直径为7．144mm的钢球，在15万转／分转速下受到的离心力高达2000N，同样转速下陶瓷球受到的离心力仅为钢球的1／3。

图7表明陀螺力矩也随转速的提高呈显著增长趋势。

陀螺力矩使滚珠有沿滚道滑动的趋势，当滚珠与滚道间的磨擦力不能抵消陀螺力矩时，滑动将产生，这将导致发热增加。

在离心力作用下，接触应力也是相当高的。

图7显示了滚珠与滚道之间的最大接触应力与转速的关系。

内圈滚道的接触应力随转速的升高而缓慢下降，这是由于离心力完全作用在了外圈滚道上，从而使内圈滚道上的接触应力有所释放。

过大的接触应力将加剧疲劳磨损与磨擦生热，严重影响轴承的使用寿命。

2、接触角

接触角是角接触轴承的一个重要参数，接触角的大小直接影响轴承的承载能力、内部位移大小及刚度。

达到15万转时，内圈接触角较静态时增大了一倍多，外圈接触角则降到了5度以下。

同样条件下，陶瓷球轴承的接触角变化比钢球轴承要小得多。

3、位移

图9显示，内圈的径向位移随转速提高先变大后减小，但位移量不大，陶瓷球轴承的位移明显小于钢球轴承。

而轴向位移的变化趋势与径向位移恰相反，随转速升高先减小而后增大，而且位移量较大，最小值为10um左右，钢球轴承内圈最大位移达27“m，对于陶瓷球轴承，则仅为14“m。

随转速的升高，轴承内圈相对于外圈的轴向和径向位移是将严重影响高速转子的运转精度。

在超高速加工中，加工精度的要求是很高的，轴承内圈的移动无疑会使加工精度大幅降低。

3、轴承刚度

可见，轴向和径向刚度均随转速提高而表现出先下降后上升的非线性变化趋势，相对来说，轴向刚度的变化程度更为剧烈。

总体来看，陶瓷球轴承的刚度性能显然优于钢球轴承，在相同条件下，不仅静态刚度高，而且在高速状态下也表现出相对的稳定性。

4、旋滚比

滚珠绕接触面法线的自旋运动将导致摩擦发热。

旋滚比是滚珠在套圈滚道接触处的自旋运动角速度与滚动角速度的比值。

转速超高，旋滚比越大，则滑动越剧烈，摩擦发热越多，对轴承寿命越不利。

图13为旋滚比特性随转速而变化的曲线。

转速越高，旋滚比越大。

同样条件下，钢球轴承的旋滚比要比陶瓷球轴承高出约50％。

总结：

高转速状态下，轴承的动态性能发生了显著变化。

轴承内圈发生了较大的轴向位移，呈现先小幅下降后急剧上升的趋势；轴承刚度也随转速升高而非线性变化，总的趋势也是先减小而后增大，且变化范围较大。

过大的且不断增长的离心力是导致上述变化的最主要因素。

陶瓷球混合轴承几乎所有的性能参数均明显优于传统的钢球轴承，在高速工况的工程领域中具有强大的生命力

参考文献：

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参数和结构.制造技术与机床.2003.No.7:

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【2】]李松生，裴翠红，工永坚.高速精密角接触球轴承支承特性

分析.轴承.2001.No.2:

11一14

【3】杜迎辉，邱明，蒋兴奇.高速精密角接触球轴承刚度计算.

轴承.2001.No.11:

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【4】XuYanzhong，JiangShuyun．Studyofdynamiccharacteristicsofthehighspeedangular·contactceramicballbearing[J]．JournalofoutheastUniversity，2004，20（3）：

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【5】BertRJorgensen，YungCShin．DynamicsofSpindle—BearingSystemsatHighSpeedsIncludingCuttingL0adEffects[J]．JournalofManufacturingScienceandEngineering，ASME，1998（20）：

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【6】吴玉厚数控机床电主轴单元技术.2005.No.11:

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