高速軸承20 世紀90 年代興起的超高速加工比一般加工有更高的轉速、更快的進給速度，可提高生產效率，降低加工成本，改善表面加工質量，故需實現機床主軸的高速化和高效率化。機床主軸被稱作機床的“心臟”，高速機床采用電動機與主軸融合在一起的電主軸，是一種直接依賴于高速軸承、電動機、精密數控與精密制造等技術的高度機電一體化的功能單元，由于省去了中間傳動環節，其轉速一般可達到每分鐘幾萬甚至十幾萬轉。電主軸內部的支承核心——主軸軸承，承受較大的徑向和軸向載荷，需具有較高的回轉精度和較低的溫升，盡可能高的徑向和軸向剛度，較長的、保持精度的使用壽命。因此，主軸軸承的性能對電主軸的使用功能極為重要。目前在高速主軸單元中采用較多的支承軸承主要有滾動軸承、磁懸浮軸承、空氣軸承和動靜壓軸承。以下就主軸軸承的主要技術及發展類型進行綜述。
1 主軸用滾動軸承
滾動軸承因其結構簡單、成本低、剛性大、高速性好、使用維護方便等優點，一直都是機床主軸的首選支承部件。
機床主軸軸承常見的滾動軸承類型主要有深溝球軸承、角接觸球軸承、圓柱滾子軸承、雙向推力角接觸球軸承和圓錐滾子軸承。其中，角接觸球軸承因制造精度高、極限轉速高、承載能力強，能同時承受徑向和一個方向的軸向載荷，在高速機床主軸的支承中被廣泛地應用［1］。主軸用滾動軸承技術主要有滾動軸承的結構優化、預緊和配置形式、材料技術、保持架研究和潤滑技術等。
1． 1 結構優化
主軸用滾動軸承結構優化的期望目標之一是提高其高速性能。對于軸承的優化設計，首先要確定其目標函數，如軸承中球的旋滾比、剛度、接觸應力及額定動載荷等，優化的變量有溝曲率系數、球組節圓直徑、球徑、球數等，根據重要程度對目標函數和優化變量進行優先排序，然后再設計內、外套圈及保持架的結構，實現既提高軸承的極限轉速又能使溫升盡可能低的高速性能［2］。軸承的極限轉速是軸承在一定工作條件下，達到所能承受的最高熱平衡溫度時的轉速極限值。主軸軸承的極限轉速與軸承的接觸角、公差等級、工作狀態、潤滑方式、組配形式、預載荷以及材料種類等多種因素有關［1］，同時還與工作環境的熱載荷有關。由于滾動軸承的轉速主要受軸承內部摩擦發熱而引起的溫升限制，當轉速超過某一界限值后，軸承內部會因溫度不斷升高而發生熱粘著，以致不能繼續使用。電主軸也易受周圍環境變化的影響( 如電動機發熱、對軸套的冷卻) ，尤其是在轉速急劇變化過程中，這些變化使軸承處于嚴重的熱載荷下，很容易引起軸承卡死，因此，要采取措施降低軸承對外部熱載荷的敏感度。
具有良好高速性能的精密角接觸球軸承是高速主軸常選用的軸承。角接觸球軸承在工作時作用力與軸承徑向面有一接觸角，一般為15°，25°或40°，接觸角越大，則軸向承載能力越大; 接觸角越小，則越有利于高速旋轉，通常采用15°和25°。接觸角為25°的主軸軸承，其極限轉速約為同結構15°接觸角軸承的90%［1］。另外，角接觸球軸承內、外圈擋邊的一面有一斜坡鎖口，是為了裝入比深溝球軸承更多的鋼球。機床主軸精密軸承常用的公差等級有5，SP，4，4A，UP，2 和2A 級［4］。軸承的游隙、溝曲率系數、擋邊形狀等都要做適于高速性能的優化結構設計。
用作主軸軸承的圓柱滾子軸承，一種是采用單列圓柱滾子軸承( N 型) ，其外圈為直滾道，內圈帶擋邊; 另一種是雙列圓柱滾子軸承( NN 型) 。雙列圓柱滾子軸承不能承受軸向載荷，一般與雙向推力角接觸球軸承( 能承受雙向軸向載荷) 配套應用于主軸的工作端，以達到較高的徑向剛度和軸向剛度來承受較大的切削力和進給力，或者應用于要求承載能力高的主軸后端。為了實現滾子軸承的高速性能，需要優化擋邊的高度，控制滾子和擋邊之間的間隙，提高滾子的精度，從而降低發熱，避免滾子端部和擋邊間的擦傷和卡死。
用作主軸軸承的圓錐滾子軸承，由于其滾子大端面與內圈大擋邊接觸面間摩擦嚴重，高速運轉會導致溫度急劇上升，所以在優化設計軸承結構的同時，需要考慮潤滑以及圓錐滾子軸承適用的速度范圍。
超高速軸承設計中，為了減小離心力和陀螺力矩，通常采用減小滾動體直徑、增加滾動體數量和選用輕質材料等方法。現在一種新型空心圓柱滾子軸承已用于機床主軸軸承，與實心圓柱滾子軸承相比具有更高的回轉精度、剛性、極限轉速和低的溫升等優點［4］。
國外開發了多種適于主軸高速性能的滾動軸承。日本NSK 開發了一種能耐受較大熱擾動的軸承系列———ROBUST 系列角接觸球軸承，具有耐熱性和低發熱性的優點，適合高速主軸軸承的工作環境。ROBUST 系列角接觸球軸承通過優化內部設計，對球徑、內外圈溝曲率、接觸角及其他相關因素進行分析，考慮了高速旋轉下圓周應力對內圈的影響，并使用一種由NSK 開發的碳氮共滲特殊軸承材料SHX，能夠最大限度地降低發熱，有效地改善軸承抗卡死性能，滿足了電主軸高速性能的嚴格要求，在加工中心領域已采用。
德國FAG 公司開發了HS70 和HS19 系列高速主軸軸承，將球徑縮小了30%，并增加了球數，制造的空心鋼球可減小離心力和陀螺力矩。為減小外圈所受應力，外溝通使用“拱形”，在高速旋轉時，球與外圈兩點接觸，因應力分散而提高軸承壽命［5］。另一種低發熱軸承，則是重點研究了潤滑劑在離心加速度作用下的運動軌跡，將保持架的導向區精確地定位在離心力對潤滑劑作用最大的地方，從而達到潤滑劑的最佳分布和可靠供應［6］。
1． 2 預緊和配置形式
為了保證主軸單元的剛性、旋轉精度，并控制滾動體的公轉和自轉打滑，降低噪聲等，需要對主軸軸承施加一定的預緊載荷。例如，角接觸球軸承能承受徑向和一個方向的軸向載荷，在徑向載荷作用下，軸承內部產生一個沿軸向方向作用的力，必須有另一相對的外力( 預載荷) 來平衡。合適的預載荷不僅可以消除軸承的軸向游隙，抑制滾動體的旋轉滑動，還能減小高速旋轉時滾動體與內、外圈滾道接觸角的變化，以影響整個系統的阻尼特性，從而提高軸承剛度和旋轉精度; 另外，還可以降低振動噪聲、抑制溫升和延長疲勞壽命。但是預載荷過大，會加劇軸承的摩擦，使溫升迅速提高，以致造成燒傷，降低使用壽命［7］。
軸承的預緊方式有徑向預緊和軸向預緊。徑向預緊適用于圓柱滾子軸承; 軸向預緊適用于角接觸球軸承、圓錐滾子軸承和推力軸承。角接觸球軸承的軸向預緊，又可分為定位預緊和定壓預緊［9］。即采用改變軸承結構和采用預緊力補償原理( 獨立制作預緊力補償裝置) 2 種方法來實現預載荷的控制。對于定位預緊，在轉速不太高和變速范圍比較小的情況下，采用剛性預載荷( 改變內外隔圈或軸承內、外圈的寬度尺寸差) 來施加預載荷。定位預緊控制預緊力十分有效，操作方便，但會隨速度的升高，軸系零件的發熱而變化，而且電主軸裝配完成后，其預載荷大小無法調整，當軸承出現磨損時，更換軸承勢必要重新調整整個控制系統，這給用戶的維修帶來很多不便［7］。定壓預緊則是在轉速較高和變速范圍比較大的情況下，使用彈性預載荷裝置( 選用合適的彈簧或借助油腔壓力變化) 來調整預緊力大小，可減小溫度和速度對預載荷的影響。對于速度性能和使用壽命要求較高的電主軸，或者需要防止軸系發生軸向振動的場合，可采用定壓預緊。由于定壓預緊中自行設計和制造可調整預載荷的裝置( 如彈簧等) 會吸收軸承的相對位置的微小變化，所以定壓預緊對高速旋轉性能有利，但對系統剛度不利。對轉速變化幅度較大的主軸系統，為確保低速時的剛度和高速時預載荷的穩定，可采用可變預載荷的預緊方式，比如: 預載分檔或定位預載與定壓預載切換等［8］。為了滿足在不同工況下預緊力的優化，目前已在研究開發通過壓電元件控制預緊力的微機控制預緊力系統，實現預緊力的在線控制［9］。
研究表明，組配軸承存在最佳預載荷值，其值與多種因素有關。因此在確定最佳預載荷時，應綜合考慮軸承的組配方式、工作轉速、系統剛度及壽命等因素。
為提高主軸系統的支承剛度，機床主軸用滾動軸承通常采用雙聯或多聯的組配方式［1］。通常，深溝球軸承、圓柱滾子軸承用來承受主軸的徑向載荷; 推力球軸承或推力滾子軸承用來承受軸向載荷; 角接觸球軸承和圓錐滾子軸承用來承受徑向、軸向聯合載荷以及載荷方向不夠清晰的附加載荷。根據機床的工作特點，為主軸選用不同的軸承配置形式。例如，因為圓柱滾子軸承能夠補償軸的熱膨脹，如果后端使用超高速單列圓柱滾子軸承，前端使用耐用性好的( 定位預緊) 角接觸球軸承，這樣配置組合，就能簡化主軸結構，使主軸運轉實現高速和高可靠性。文獻［10］中列出了機床主軸中常見的滾動軸承的配置形式和性能特點。
1． 3 材料技術
對鋼制主軸軸承材料的研究和開發大致分為兩個方面: ( 1) 采用新的冶煉技術和裝備，或對傳統的冶煉工藝和設備進行改進，降低鋼中氧含量及夾雜物的數量，改善夾雜物的分布、尺寸和形態，改善結晶狀態等，以提高原有鋼種的冶金質量，生產出長壽命、純凈或超高潔凈鋼; ( 2) 對原有鋼種的化學成分進行改進或開發全新軸承用鋼，以滿足不同使用場合對軸承越來越高的性能要求，或在具有同樣性能的前提下降低材料費用和整個軸承的生產成本［11］。國內軸承用鋼的發展與國外類似。以前，國內主軸軸承的材料選用高品質的軸承鋼GCr15 和ZGCr15( 軍甲鋼) ( 采用電渣重熔技術提高材料品質) ，近十年來，由于軸承鋼冶煉技術的飛躍發展，尤其是真空冶煉技術的廣泛應用，高品質的軸承鋼已經不再局限于電渣重熔鋼，真空脫氣GCr15 和GCr15SiMo 等材料已經廣泛應用于主軸軸承［3］。
國外近年研制了多種新鋼種，例如，NSK 公司經過多年研究，開發出了一種經表面淬硬的SHX耐熱鋼，SHX 具有良好的抗卡死和耐磨損特性，并且壽命長( 比SUJ2 鋼制的軸承壽命長3 ～ 4 倍) 。
在超高速運轉時，通常認為內圈由于受到高的環向應力作用而易于斷裂，使用SHX 材料的內圈，其內部殘余應力能抵消環向應力，因此可以大大地避免斷裂。用SHX 材料制造的ROBUST 系列軸承已經應用于許多高速主軸，其性能已經得到驗證。在要求高載荷、高可靠性方面，開發出了EP鋼以及一般環境下實現長壽命的Z 鋼。
另外，由氮化硅陶瓷做滾動體的混合陶瓷球軸承也已進入高速機床領域。陶瓷材料與軸承鋼相比，其密度是鋼的40%，線膨脹系數不及鋼的1 /4。因此，混合陶瓷球軸承高速旋轉時，作用于球的離心力及摩擦力矩小，球和套圈的熱膨脹差引起的軸承載荷相對緩和，軸承摩擦發熱少、磨損輕，高速性能得以提高; 而且，由于陶瓷材料的縱向彈性模量約為軸承鋼的1． 5 倍，故陶瓷球軸承的剛性也比鋼制軸承大［7］。陶瓷球軸承的極限轉速較同結構鋼制軸承提高20% ～ 30%，若能根據陶瓷材料的特性，對陶瓷球軸承的結構進行優化，其極限轉速還可以更高［1］。
1． 4 保持架研究
為適應滾動軸承的高精度、高轉速的發展方向，必須從保持架結構、制造精度、材料選用和加工方法等全方位進行研究，選用強度高、輕質的保持架，采用合理的引導方式，以滿足軸承的高速性能。現在，重量輕、自潤滑性能好、摩擦因數小的工程塑料保持架已廣泛用于機床主軸軸承。為高速旋轉設計的保持架，盡管其通常運行速度僅為內圈的40% ～ 50%，但由于要承受復雜的碰撞以及與滾動體的局部滑動( 例如: 滾子與保持架兜孔接觸面及引導面) 而產生的恒定發熱的影響，保持架容易斷裂、卡死及磨損。傳統的金屬保持架采用噴射潤滑，在高速主軸軸承中，由于過多的潤滑劑會導致攪動發熱，限制潤滑劑的用量又使得金屬保持架磨損嚴重，因而不適合使用。目前高速主軸軸承中所用的保持架材料趨向于工程塑料，其韌性好、重量輕、耐熱、耐磨損，使得原來只有油潤滑才能達到的速度領域也能使用脂潤滑。
角接觸球軸承，在dmn 值小于1． 4 × 106 mm·r /min 以下的使用領域一般采用塑料保持架，可以提高軸承性能，如聚酰胺保持架; dmn 值超過1． 4× 106 mm·r /min 的領域，使用酚醛樹脂的優越性更高。耐用系列超高速單列圓柱滾子軸承采用玻璃纖維+ 聚醚醚酮( PEEK) 工程塑料保持架。這種聚合物通過添加玻璃纖維，具有重量輕、耐熱、耐磨損、抗斷裂等優良特性，微量潤滑時能發揮最__dmn 值達3 × 106 mm·r /min。高剛度系列雙列圓柱滾子軸承開發了耐熱性優異的高剛度聚苯撐硫 ( PPS) 保持架，性能優于過去使用的圓柱型聚酰胺保持架，噪聲也比銅合金保持架有所降低，極限溫度達220 ℃，脂潤滑時，dmn 值達1 × 106 mm·r /min 以上。工程塑料保持架的優點是強度、彈性、塑流特性等優異，能控制高速旋轉時保持架的變形，運轉平穩，并能用成本低的模注法加工出理想的結構。
保持架的引導方式有內圈引導、外圈引導和滾動體引導。內圈引導的轉動慣量小，可以節省材料，但與外圈引導相比允許的裝球數要少些; 外圈引導轉動慣量大，裝球數比內圈引導多些; 滾動體引導在同樣的轉速下，比外圈引導和內圈引導發熱量小，同時噪聲也相對小些，另外，外圈一側可以保持較多的潤滑脂，有利于實現潤滑脂的長壽命，但其結構復雜，制造困難，通常為注塑型的塑料保持架。
高速應用下，保持架兜孔的設計需要考慮選用材料的強度大小、變形量大小以及其具有的摩擦性能，使保持架中由兜孔與引導面間的摩擦引起的自激振動最小。
1． 5 潤滑技術
超高速主軸必須采用正確的潤滑方式來控制軸承的溫升，以保證機床工藝系統的精度和穩定性。潤滑方式的選擇與軸承的轉速、載荷、容許溫升及軸承類型有關，常用的形式有: 噴油潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。進入20 世紀80 年代后，由于加工中心的高速化，油氣、油霧等微量潤滑占了主導地位，傳統的噴油潤滑和脂潤滑等均已不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求。在使用高壓噴射切削液的主軸中，油氣和油霧潤滑對于防止切削液進入主軸內部很有效。目前微量潤滑已成為主體［4］。
油霧潤滑系統在高轉速下會在軸承運轉的內部產生“風幕”，阻礙油霧潤滑系統可靠地向各個軸承供應幾乎恒定的潤滑油，使各個摩擦點的潤滑油量始終處于一種波動狀態，時多時少的潤滑油量不利于主軸軸承轉速和壽命的提高，新近發展起來的油氣集中潤滑系統則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高。油氣潤滑技術是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別、連續不斷地、精確地供給每一套主軸軸承，微小油滴在滾動體和內、外滾道間形成彈性動壓油膜，壓縮空氣則帶走軸承運轉所產生的部分熱量，因此，油氣潤滑在高速電主軸用滾動軸承領域得到廣泛應用［12］。但油氣潤滑系統對潤滑油、壓縮空氣以及油路和供油方式都有一定的技術要求，所需設備復雜，成本較高。
2 主軸用磁懸浮軸承
磁懸浮軸承是利用多副在圓周上互為180°可控電磁鐵產生徑向方向相反的吸力，將主軸懸浮于空中，使軸頸與軸承之間沒有機械接觸的一種高性能軸承［7］。隨著主軸轉速和載荷的進一步提高，功率越來越大，傳統的滾動軸承的結構已經難以滿足所需要的超高速、大功率的要求。磁懸浮軸承的應用使得這種超高速、大功率的主軸成為可［13］。磁懸浮軸承電主軸［13］，主要是用在大功率超高速的機床上，轉速一般在1 × 105 r /min 以上。由于不存在機械接觸，轉軸可達到極高的回轉精度、較高的轉速和較大的功率，同時具有溫升低、無需潤滑、無油污染、壽命長等優點。又由于磁懸浮軸承軸心的位置通過電子反饋控制系統進行自動調節，故主軸剛度和阻尼可調，并可自動動平衡，從而使振動降至很低，噪聲較小［7］。因為磁懸浮軸承價格昂貴，控制系統復雜，長期以來沒有在超高速主軸單元上大面積推廣，但現已有成熟的產品供應，具有很大的發展前景。在國外，汽車工業生產線和高速機床上采用磁懸浮主軸系統比較普遍，主軸轉速一般為40 000 ～70 000 r /min。在超精加工機床上，其性能指標達到: 旋轉精度0． 03 ～ 0． 05 μm，承載力300 kN，徑向靜剛度600 N/μm，軸向靜剛度2 000 N/μm，動剛度100 N/μm，可靠性MTBF≥4 000 h。在磨加工機床上，磨削轎車某零件時，磁懸浮軸承主軸轉速可達到60 000 r /min，可以緩進給強力磨削方式直接加工寬為1 mm 的淬火鋼材窄縫，省略了淬火前粗銑工序。采用直徑50 mm 的CBN 砂輪可實現線速度為160 m/s 的超高速磨削［14］。
2． 1 磁懸浮軸承系統結構的發展現狀
為了降低費用，增加設計的靈活性，人們對磁懸浮軸承系統結構進行了多方面研究。如自傳感器結構、永磁與電磁結構相結合、無軸承電動機及超導磁軸承等新型結構。在這些結構中，無軸承電動機結構的發展前景比較好。因為普通的磁懸浮軸承軸向占據體積較大，導致電動機的軸向長度較長，同時臨界轉速下降，加上磁懸浮軸承本身結構及控制比較復雜，體積較大，成本較高，限制了電動機向更高轉速的發展，而無軸承電動機能夠很好地解決普通磁懸浮軸承的上述問題。現在研究的無軸承電動機有永磁體表面疊裝式無軸承永磁同步電動機、永磁體內嵌式無軸承永磁電動機、無軸承永磁同步電動機。與磁軸承電動機相比，無軸承電動機具有體積小、能耗少、轉速更高等優點，但缺點是電磁轉矩和徑向力之間存在耦合，磁飽和溫度變化等因素會引起電動機參數的變化，需要建立更加合理的解耦控制方案［13］。
2． 2 磁懸浮軸承需要解決的問題［13］
( 1) 造價高; ( 2) 系統的動態性能和系統可靠性有待進一步提高; ( 3) 剛度和承載能力對于大規模應用還有一定難度，磁懸浮軸承剛度的大小取決于系統結構和組成，因此，要提高磁懸浮軸承的剛度就必須對系統結構進行更進一步的優化。
3 主軸用空氣軸承［13］
高速內圓磨床主軸軸承一般采用空氣軸承。
空氣軸承采用空氣冷卻和氣膜支承，運轉平滑，由于氣體的黏度小，能夠在摩擦損耗不大、潤滑劑和支承的溫升不高的情況下實現高速旋轉，特別適合做高速回轉副的支承元件。空氣軸承具有精度高、結構緊湊、摩擦功耗低等優點，但由于受到能承受的切削載荷及過載能力較小的限制，其功率一般不是很大。
3． 1 空氣軸承結構
空氣軸承在結構設計上，近年相繼出現了表面節流、淺腔二次節流、多孔質節流及浮環軸承等新類型。其中，氣體浮環軸承是一種較理想的高速軸承，這種浮環型軸承，當軸承高速旋轉時，由于潤滑氣體的粘滯作用，使環也隨之以一定速度旋轉，即形成內外氣膜的雙膜軸承; 也可以環不旋轉，在外部供氣作用下懸浮在軸承與軸之間，同樣也形成一種雙膜軸承。這種雙膜軸承的優點是:
功耗低; 高速穩定性好。
3． 2 空氣軸承需要解決的問題
( 1) 普遍存在剛度不高、散熱性不好的問題; ( 2) 剛度及承載力特別是抗過載能力不強; ( 3) 工作可靠性、制造工藝性、實用性、普及性等有待進一步的研究; ( 4) 標準化、結構系列化和設計計算方法不夠規范。
3． 3 氣磁混合軸承
空氣軸承與磁懸浮軸承相比，具有相當高的工作精度，結構簡單、制造容易和便于推廣應用的優點; 而磁軸承具有較高承載能力，便于控制和具有更高工作精度的性能。目前已有專家開發出一種綜合這2 種性能的氣磁混合軸承，這種軸承的主要特點是同時具備較高的承載能力和很高的工作精度，而這種特性很適合于超高速、超高精度加工，有十分廣闊的應用前景［13］。
4 主軸用動靜壓軸承
動靜壓軸承是一種綜合了動壓軸承和靜壓軸承優點的新型多油楔油膜軸承，其避免了靜壓軸承高速下發熱嚴重和供油系統龐大復雜，克服了動壓軸承啟動和停止時可能發生干摩擦的弱點，有很好的高速性能，而且調速范圍寬。其結構緊湊，動、靜態剛度較高，價格也較高，使用維護較為復雜，標準化程度低，在超高速主軸單元中應用較少。
5 結束語
主軸軸承技術是高速機床主軸的關鍵技術，使用不同類型的軸承，主軸將具有不同的工作特性。滾動軸承電主軸結構簡單、剛度好、標準化高，但其轉速一般在1 × 105 r /min 以下，主要適用于一般的高速加工。通過對其內部結構以及潤滑進行優化設計、材料的研究選用，使得其對熱載荷不敏感，提高抗卡死的性能，從而拓展其速度的極限。磁懸浮軸承電主軸適用超高速、大功率的應用場合，但其結構較大且復雜，控制難度高。傳統的空氣軸承電主軸的精度比較高，但其承載能力小，適合于小型零件的精密加工。正在研制的氣磁混合軸承，綜合了空氣軸承和磁懸浮軸承的優點，將能很好地適應超高速精密加工。目前，向更高轉速極限挑戰的主軸軸承研發工作還在持續地進行中。
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
