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1、,-高速电主轴用陶瓷球轴承,现代支撑理论,目录,高速电主轴简介,概述 机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。,而且电主轴转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。,优点,高速电主轴简介,电主轴的结构及原理,高速电主轴简介,1轴壳轴壳是高速电主轴
2、的主要部件.轴壳的尺寸精度和位置精度直接影响主轴的综合精度.通常将轴承座孔直接设计在轴壳上.电主轴为加装电机定子,必须开放一端.大型或特种电主轴,可将轴壳两端均设计成开放型.2转轴转轴是高速电主轴的主要回转主体.它的制造精度直接影响电主轴的最终精度.必须对转轴进行严格动平衡测试.部分安装在转轴上的零件也应随转轴一起进行动平衡测试.3轴承高速电主轴的核心支承部件是高速精密轴承.因电主轴的最高转速取决于轴承的大小、布置和润滑方法,所以这种轴承必须具有高速性能好、动负荷承载能力高、润滑性能好、发热量小的优点 4定子与转子高速电主轴的定子由具有高导磁率的优质矽钢片迭压而成.转子是中频电机的旋转部分,它
3、的功能是将定子的电磁场能量转换成机械能.转子由转子铁芯、鼠笼、转轴三部分组成.,高速电主轴简介,1、电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。2、主轴的变速由主轴驱动模块控制，而主轴单元内的温升由冷却装置限制。3、在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。,高速电主轴简介,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。,缺点：价格昂贵、控制系统复杂。发热问题不易解决。,磁悬浮轴承,缺点,优点,优点：机械磨损小能耗低、噪音小、寿命长、无需润
4、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。,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。,轴承技术,动静压轴承,缺点,优点,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。,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
5、滚动体和套圈滚到的摩擦力。,制造困难，造价较高。,优点,缺点,轴承技术,陶瓷球轴承,我国电主轴技术的现状及与国外的差距,(1)在电主轴的低速大转矩方面 国外产品低速段的输出转矩可以达到300Nm以上，有的更是高达600多Nm(如德国的CYTEC)，而国内目前则多在100Nm 以内。(2)在高速方面 国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000rmin(意大利CAMFIOR)，而我国则多在20000rmin以下。(3)在电主轴的润滑方面 国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。(4)在电主轴的支承技术方面 国外已经有动、静压液(气)浮轴承电主轴(
6、瑞士IBAG等)、磁浮轴承电主轴(瑞士IBAG)的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究或小批量试制之中。(5)在其它与电主轴相关配套技术方面 如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要。,混合型氮化硅陶瓷球轴承与钢制轴承相比有如下优点：,(1)转速高：(2)刚性大：(3)摩擦发热小、温升低：(4)热稳定性好：(5)寿命高：,角接触混合陶瓷球轴承,角接触混合陶瓷球轴承,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
7、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14，许用工作温度达1000C，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。,表1列出了Si3N4。陶瓷与轴承钢各性能指标的对比情况。,角接触混合陶瓷球轴承,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。,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：,计算模型,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，
8、内外圈接触角均为。图2为各滚动体的角位置编号。,陶瓷球轴承几何特性参数分析,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。,陶瓷球轴承几何特性参数分析,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
9、滚动体水平和竖直方向的受力平衡方程：,陶瓷球轴承几何特性参数分析,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,陶瓷球轴承几何特性参数分析,另外，还可由图4得到以下关系：,陶瓷球轴承几何特性参数分析,轴承轴向刚度Ka。及径向刚度Kr，可分别按下式计算：,式中，为轴承圈相对于外圈的轴向位移，为内圈相对于外圈的径向位移。,联立式(6)一(11)，可得到以 和 为未知量的非线性方程组。可以解得以上未知量。,陶瓷球轴承几何特性参数分析,动态特性参数分析,内圈的移动、接触应力、接触角变化、离心力
10、及陀螺力矩大小、旋滚比刚度变化等。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。,陶瓷球轴承动态特性分析包括：,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7144mm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13。,动态特性参数分析,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
11、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。,动态特性参数分析,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
12、多。,动态特性参数分析,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、位移,动态特性参数分析,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
13、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、轴承刚度,动态特性参数分析,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。,5、旋滚比,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。,动态特性参数分析,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。,动态特性参数分析,高转速状态下，轴承的动态
14、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。,总结：,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。,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。,与相关件的配合精度,其他相关技术要求,润滑剂的
15、使用,油雾润滑,油气润滑,其他相关技术要求,（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。,在主轴中的使用误区,其他相关技术要求,参考文献,【1】周延枯，李中行.电主轴技术讲座，第二讲电主轴的基本参数和结构.制造技术与机床.2003.No.7:64一67【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，
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