高速精密角接触球轴承在电主轴中的应用

　　关键词：角接触球轴承；精密轴承；高速轴承；电主轴；应用

　　合理地应用主轴轴承对提高电主轴性能有着至关重要的影响。电主轴的特点是高速、高效，因而要求主轴轴承高速性好、承载能力强。基于这种特点，高速精密角接触球轴承成为精密电主轴中最为关键的基础件。

1 角接触球轴承的结构及选用
    同样结构型式的轴承应由电主轴外载荷特性来确定接触角的大小。接触角越大，轴承轴向承载能力越强，但主轴允许的最高转速越低。电主轴由于常用于内圆磨削，主要载荷为径向载荷，因而常采用15°接触角的单列角接触球轴承。

2 轴承的极限转速
    极限转速是轴承的一个重要性能指标，也是选用轴承时必须考虑的一个因素。世界各大轴承公司对极限转速的定义各不相同。因此，在参考轴承样本上轴承的极限转速选用轴承时，应分析该转速所要求的预载荷状况、润滑冷却方式以及轴承寿命要求等。即使满足使用条件，轴承的应用转速也不能经常处于极限转速，因为极限转速是在特定条件下的转速性能指标，并非每套轴承都能以极限转速安全地工作。轴承型号不同，极限转速的区别非常大。在高速电主轴的设计中，常用dn值的大小来初步判定轴承的选用合理与否。仔细分析各轴承公司的样本，对同一公司而言，应用于高速、超高速的精密角接触球轴承在相同材料、相同结构形式、相同精度时的极限速度下的dn值大体是一致的。而在同样外形尺寸下，由于内部结构的不同或采用材料的差别，不同公司的轴承在极限速度下的dn值却不一样。
　　另外各厂都给出了特定条件下的速度修正系数，根据这些系数可以修正实际轴系中轴承允许的极限dn值。另一个问题便是，在选择用于高速主轴的精密主轴轴承时，不能以dn值的不同在各厂家间进行横向比较，而应该通过大量实验或应用实践积累一些适用于某结构形式轴承在特定条件下的使用系数，以便在应用不同型号轴承时进行最高dn值的纵向类比修正。
　　以ZYSB70系列角接触球轴承在2GDZ系列磨电主轴上的使用为例，归纳主轴轴承在电主轴轴系中的安全修正系数。2GDZ系列磨电主轴的设计参数（如功率、转速等）经过合理匹配，轴承的润滑、冷却条件相当，排列形式一样，其修正系数如表1所示。

　　以上修正系数经实践证明，对主轴轴承的应用是比较合理的。比较可知，由于轴承的具体应用条件不同，对轴承极限转速的修正系数并不相同，但变化范围并不大。由此可得出结论：ZYSB70系列轴承在油雾润滑、串联安装（DT）条件下，根据载荷状况可取修正系数样本值的0.45-0.80，并且轴承越小，外加载荷越轻，该系数越接近理论修正系数0.8。

3 角接触球轴承的带载荷运转
    角接触球轴承在电主轴中常以高速、超高速运转，因而离心力对轴承的运转状态影响非常大。钢球将在滚动的同时有一定程度的打滑，滑动产生的摩擦热不但使轴承的温升加剧，而且严重时导致钢球表面局部退火，增加了磨损和烧伤程度。为克服离心力的影响，角接触球轴承在主轴中总是带预载荷运转。恰当的预载荷能够使内外圈接触角在运转时保持一致，不仅能延长轴承寿命，而且能提高轴承及主轴的刚性。
　　如果预载荷过大，轴承润滑及散热条件差，同样使用条件下轴承寿命短，容易烧伤或卡死，且高速性能越差，但轴承及主轴的支承刚性则大大增加。如果预载荷过小，则主轴整体刚性与承载能力明显下降。如果预载荷量值不足以克服主轴工作所承受的轴向力和驱动力对其的影响，主轴在工作中将产生明显振动，所加工的工件表面将出现明显振纹。如果预载荷不足以抑制陀螺力矩，主轴轴承运转过程中将由于“打滑”而急剧发热，钢球表面有明显“猫眼”状磨损痕迹。
　　一般轴承样本上都给有轻、中、重三种预载荷值。但在电主轴中应用时，应根据载荷状况、润滑油品和冷却方式来综合考虑。选择原则是预载荷尽量接近实际应用所需，并考虑外来载荷对预载荷的影响。

4 角接触球轴承在电主轴中的配置及加载方式
    依据转速和外载荷的不同，角接触球轴承在电主轴的轴承组中有单套使用、串联使用、并联（背对背、面对面）使用等方式。单套和串联使用的轴承通过弹簧施加预载荷，并联使用的轴承通过调整配对轴承凸出量，使两轴承在压紧状态下以负游隙（带载荷）运转。
　　电主轴的合理支承为两组轴承组，考虑装配工艺性，前轴承组为固定端。对单套和串联使用轴承组来说，弹簧组通过前推和后拉两种方式施加预载荷。
　　对并联轴承，如果不是万能配对（采用等高垫），则预载荷要通过内外垫的高度差来调整。
　　在选用主轴支承时，串联式（DT）用于单一方向轴向力较大的场合，DB并联式由于可承受双向载荷，用于轴向定位准确的场合，如磨削轴承套圈的沟道用主轴。DF并联式可用于多点支承或轴承前后座孔同心不易保证的场合。

5 角接触球轴承与相关件的配合精度
   由于轴承套圈厚度相对较薄，所以与之配合的主轴或轴承座的形状误差会影响轴承的运转效果，使主轴旋转精度下降，轴承温升和运转噪声加大。为控制这种影响，对配合面的主控指标有以下几个方面：（1）尺寸公差；（2）形状公差中的圆度、圆柱度要求；（3）轴系各支承面的同轴度要求；（4）轴承定位端面和配合面轴线的垂直差要求；（5）表面粗糙度要求。

6 角接触球轴承的润滑剂使用
    由于电主轴的结构紧凑，其轴承的润滑方式主要有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑。油浴润滑和喷油润滑一般不用于高速电主轴。油脂润滑没有冷却作用，极限转速低，更换润滑剂较为复杂，但是外壳构造和密封装置设计简单，没有污染；油雾润滑允许的极限转速高，更换润滑油简单，润滑的同时有一定的冷却作用，可降低轴承的温升，但其油路设计复杂，尾气如不加以回收，对环境污染较为严重；与油雾润滑相比，所允许的极限转速更高，轴承温升更小，用油量少，污染小，但配套装置价格昂贵。

7 角接触球轴承在主轴中的使用误区
    （1）极限转速的误区：表现为主轴大功率和高转速同时要求，大刀具和高转速同时要求，润滑方式选择不当等。
　　（2）尺寸系列选择误区：表现为轴承刚性和转轴刚性不匹配，造成轴系整体刚性不好。
　　（3）供油过量问题：表现为轴承搅油阻力大，温升高。
　　（4）配合过紧或过松：表现为温升高或振动大。

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