数控金切机床高速主轴的性能分析

 数控金切机床高速主轴的性能，在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单，不仅是一般切削机床主轴的首选，也受到高速切削机床的青睐。从高速性的角度看，滚动轴承中角接触球轴承最好，圆柱滚子轴承次之，圆锥滚子轴承最差。
　　角接触球轴承的球（即滚珠）既公转又自转，会产生离心力Fc和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加，离心力Fc和陀螺力矩Mg也会急剧加大，使轴承产生很大的接触应力，从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。因此，要提高这种轴承的高速性能，就应想方设法抑制其Fc和Mg的增加。从角接触球轴承Fc和Mg的计算公式得知，减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fc和Mg，所以现在高速主轴多使用接触角为15°或20°的小球径轴承。可是，球径不能减小过多，基本上只能是标准系列球径的70%，以免削弱轴承的刚度，更关键的还是要在球的材料上寻求改进。
　　与GCr15轴承钢相比，氮化矽（Si3N4）陶瓷密度仅为它的41%，用氮化矽制作的球要轻得多，自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时，氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍，而热膨胀系数仅为轴承钢的25%，这既可提高轴承的刚度和寿命，又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化小，工作可靠，加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬，显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明，陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球轴承相比速度能提高25%~35%，不过价格也要高一些。
　　国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展：一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子，市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承；二是用不锈钢（比如FAG公司用氮化不锈钢Crodinur30）代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈，由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%，自然在高速回转时，因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制。众所周知，dmh值是表达滚动轴承高速性能的速度因子（dm是滚动轴承内、外圈的平均直径，单位mm；h是轴承的转速，单位r/min）。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关，而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式，其中油雾润滑虽然效果不错，但污染环境和危害工人健康，国外已很少采用。
　　脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质，故其dmh值较低，轴承为钢球时仅达80×104，为陶瓷球时可达110×104（FAG公司开发的新一代低温轴承其dmh值还可以在此基础上增加10%左右）。现在高速主轴轴承用得最多的是油气润滑方式，它是定时、定量地供给轴承以油—气混合物，使轴承各部位获得最佳的微量润滑并把污染减至很小。采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承，其dmh值一般可分别达到到140×104和210×104，若采用比较特殊的油气润滑方式，陶瓷球角接触球轴承的dmh值可达250×104甚至更高一点（图3为特殊油气润滑方式的一种，在试验室内其dmh值已达280×104）。
　　高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种，但比较典型的是前、后轴承呈“O”型布局的两对角接触球轴承（见图1）。由于后轴承也是角接触球轴承，一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动，使得主轴受热后可自由向后方膨胀。一般说来，角接触球轴承需要在轴向有预加负荷才能正常工作，预加负荷愈大，轴承的刚度愈高但温升也愈大。比较简单的办法是，根据电主轴的转速范围和所要承受的负载，选定一个最佳的固定预加负荷值；更好的办法则是预加负荷能随主轴转速改变而调整，在高转速时减小预加负荷，在低转速时增加预加负荷。