高速精密轴承的原理与应用

现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展，对机床加工提出了更高要求，这就需要高速运转的主轴部件系统——高速精密轴承，高精轴承具有结构紧凑、重量轻、惯性小、震动小、噪音低、响应快等优点，可以减少齿轮传动，简化机床外形设计。

1、精密主轴选型与配置
轴承种类的选择应根据主轴技术指标，并考虑其经济性和技术复杂性，在流体轴承和滚动轴承中选择合适的轴承种类。
轴承选型与配置的依据是主轴系统受力特性及主轴技术指标要求。轴承选型与配置实际上是根据技术指标，在刚度要求、转速要求、负载大小、主轴结构设计对空间要求中求得平衡来进行轴承选型与配置。
高速机床主轴轴承一般有角接触轴承、圆柱滚子轴承和双向角接触轴承等几种形式。对于高速轻载型高速主轴，前后支承一般选用角接触轴承。
高速主轴用角接触轴承其接触角主要有 15°和25°两种。15°接触角的轴承高速性较好，但轴向承载能力和刚度较低。通常，15°接触角的角接触球轴承多用于磨床、铣床和高速加工中心主轴。
高速主轴用滚动轴承其滚珠有钢珠与陶珠两种形式，陶瓷滚动轴承与同规格、同精度的钢质轴承相比，其速度可提高 20%，温升降低 35% ～ 60%，寿命可提高 3 ～ 6 倍，陶瓷轴承的刚性较高，对内、外圈温差不敏感，运转中预紧力的变化也较小。因此在现代数控机床高速主轴中，陶瓷球轴承得到了广泛的应用。

2、高速主轴单元支承结构设计
轴承限位方式及其限位元件直接影响到主轴单元总体精度指标，同时轴向限位元件也是保证轴承预紧力的重要元件之一。
在现代数控机床主轴单元设计中，轴承轴向限位元件常用的有精密锁紧螺母和阶梯过盈套。
采用精密螺母方式安装相对简单，但对主轴螺纹部分加工精度要求高，因螺纹联结本身是一种动不平衡因素，这将影响主轴动平衡性能。因此这种结构形式一般多用于 8 000 r/min 以下的机械式主轴。
对于更高转速的主轴，其动平衡精度要求极高。
为保证动平衡精度，轴承轴向限位元件通常选用阶梯过盈套。这样不需在主轴上加工螺纹，容易保证过盈套的定位端面与轴心线垂直，主轴动平衡性好。但采用这种方式安装拆卸都需要根据主轴形式设计相应的专用工艺装备，其安装拆卸复杂，要求高。

3、高速主轴单元润滑技术
高速主轴设计中，轴承润滑技术是至关重要的一环，润滑与主轴高速性能、温升、主轴成本、可维修性等都有密切关系。
高速主轴一般采用的润滑方式有脂润滑、油-气润滑等方式。高速主轴设计中，应在保证技术指标的前提下选择最为经济的润滑方式。
脂润滑是一次性永久润滑，不需任何附加装置和特别维护，但其温升较高，允许轴承工作的最高转速较低，一般 Dn 值在 1. 0 ×10 6 以下。其特点是结构简单，使用方便，无污染，通用性强，成本低。脂润滑关键技术点是选择正确润滑脂以及确定合理的润滑脂注入量。
油-气润滑是一种新型的、较为理想的方式，它利用分配阀对所需润滑的不同部位，按照其实际需要，定时 (间歇)、定量 (最佳微量) 地供给油-气混合物。使轴承总是形成良好的润滑条件，油-气润滑的压缩空气同时兼具冷却作用，因而可使主轴轴承Dn 值更高，可达 2 × 10 6 。油-气润滑对润滑油、压缩空气、供油管路设计具有严格的技术要求，其调试参数 (流量、时间间隔、压缩空气压力等) 现在并无成熟的理论或定量确定方法，调试比较麻烦。
高速精密主轴是现代高性能数控机床的核心功能部件之一，而精密轴承技术是高速精密主轴设计中的核心技术之一，作者对高速精密主轴设计中所涉及的高速精密轴承选型与配置、高速主轴单元支承结构设计、主轴轴承预紧、高速主轴单元润滑技术等关键技术问题进行了论述，对各种高速精密主轴设计具有参考价值。
高速精密主轴是最近进在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，本文主要对高速精密轴承选型与配置、高速主轴单元支承结构设计、主轴轴承预紧、高速主轴单元润滑技术等关键技术问题进行了论述，希望对各种高速精密主轴设计的人员有所帮助。