楊立芳，葉軍

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039)

20世紀(jì)90年代興起的超高速加工比一般加工有更高的轉(zhuǎn)速、更快的進(jìn)給速度，可提高生產(chǎn)效率，降低加工成本，改善表面加工質(zhì)量，故需實現(xiàn)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(shù)控與精密制造等技術(shù)的高度機電一體化的功能單元，由于省去了中間傳動環(huán)節(jié)，其轉(zhuǎn)速一般可達(dá)到每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)。電主軸內(nèi)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(zhuǎn)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(shù)及發(fā)展類型進(jìn)行綜述。

1 主軸用滾動軸承

滾動軸承因其結(jié)構(gòu)簡單、成本低、剛性大、高速性好、使用維護方便等優(yōu)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(zhuǎn)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(yīng)用[1]。主軸用滾動軸承技術(shù)主要有滾動軸承的結(jié)構(gòu)優(yōu)化、預(yù)緊和配置形式、材料技術(shù)、保持架研究和潤滑技術(shù)等。

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

主軸用滾動軸承結(jié)構(gòu)優(yōu)化的期望目標(biāo)之一是提高其高速性能。對于軸承的優(yōu)化設(shè)計，首先要確定其目標(biāo)函數(shù)，如軸承中球的旋滾比、剛度、接觸應(yīng)力及額定動載荷等，優(yōu)化的變量有溝曲率系數(shù)、球組節(jié)圓直徑、球徑、球數(shù)等，根據(jù)重要程度對目標(biāo)函數(shù)和優(yōu)化變量進(jìn)行優(yōu)先排序，然后再設(shè)計內(nèi)、外套圈及保持架的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)既提高軸承的極限轉(zhuǎn)速又能使溫升盡可能低的高速性能[2]。

軸承的極限轉(zhuǎn)速是軸承在一定工作條件下，達(dá)到所能承受的最高熱平衡溫度時的轉(zhuǎn)速極限值。主軸軸承的極限轉(zhuǎn)速與軸承的接觸角、公差等級、工作狀態(tài)、潤滑方式、組配形式、預(yù)載荷以及材料種類等多種因素有關(guān)[1]，同時還與工作環(huán)境的熱載荷有關(guān)。由于滾動軸承的轉(zhuǎn)速主要受軸承內(nèi)部摩擦發(fā)熱而引起的溫升限制，當(dāng)轉(zhuǎn)速超過某一界限值后，軸承內(nèi)部會因溫度不斷升高而發(fā)生熱粘著，以致不能繼續(xù)使用。電主軸也易受周圍環(huán)境變化的影響(如電動機發(fā)熱、對軸套的冷卻)，尤其是在轉(zhuǎn)速急劇變化過程中，這些變化使軸承處于嚴(yán)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(zhuǎn)，通常采用15°和25°。接觸角為25°的主軸軸承，其極限轉(zhuǎn)速約為同結(jié)構(gòu)15°接觸角軸承的90%[1]。另外，角接觸球軸承內(nèi)、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(shù)、擋邊形狀等都要做適于高速性能的優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)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(nèi)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(yīng)用于主軸的工作端，以達(dá)到較高的徑向剛度和軸向剛度來承受較大的切削力和進(jìn)給力，或者應(yīng)用于要求承載能力高的主軸后端。為了實現(xiàn)滾子軸承的高速性能，需要優(yōu)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(fā)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(nèi)圈大擋邊接觸面間摩擦嚴(yán)重，高速運轉(zhuǎn)會導(dǎo)致溫度急劇上升，所以在優(yōu)化設(shè)計軸承結(jié)構(gòu)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(shè)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(shù)量和選用輕質(zhì)材料等方法?，F(xiàn)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(zhuǎn)精度、剛性、極限轉(zhuǎn)速和低的溫升等優(yōu)點[4]。

國外開發(fā)了多種適于主軸高速性能的滾動軸承。日本NSK開發(fā)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(fā)熱性的優(yōu)點，適合高速主軸軸承的工作環(huán)境。ROBUST系列角接觸球軸承通過優(yōu)化內(nèi)部設(shè)計，對球徑、內(nèi)外圈溝曲率、接觸角及其他相關(guān)因素進(jìn)行分析，考慮了高速旋轉(zhuǎn)下圓周應(yīng)力對內(nèi)圈的影響，并使用一種由NSK開發(fā)的碳氮共滲特殊軸承材料SHX，能夠最大限度地降低發(fā)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(yán)格要求，在加工中心領(lǐng)域已采用。

德國FAG公司開發(fā)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(shù)，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(yīng)力，外溝通使用“拱形”，在高速旋轉(zhuǎn)時，球與外圈兩點接觸，因應(yīng)力分散而提高軸承壽命[5]。另一種低發(fā)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(dǎo)向區(qū)精確地定位在離心力對潤滑劑作用最大的地方，從而達(dá)到潤滑劑的最佳分布和可靠供應(yīng)[6]。

1.2 預(yù)緊和配置形式

為了保證主軸單元的剛性、旋轉(zhuǎn)精度，并控制滾動體的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)打滑，降低噪聲等，需要對主軸軸承施加一定的預(yù)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(nèi)部產(chǎn)生一個沿軸向方向作用的力，必須有另一相對的外力(預(yù)載荷)來平衡。合適的預(yù)載荷不僅可以消除軸承的軸向游隙，抑制滾動體的旋轉(zhuǎn)滑動，還能減小高速旋轉(zhuǎn)時滾動體與內(nèi)、外圈滾道接觸角的變化，以影響整個系統(tǒng)的阻尼特性，從而提高軸承剛度和旋轉(zhuǎn)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(yù)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(yù)緊方式有徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊。徑向預(yù)緊適用于圓柱滾子軸承；軸向預(yù)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(yù)緊，又可分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊[9]。即采用改變軸承結(jié)構(gòu)和采用預(yù)緊力補償原理(獨立制作預(yù)緊力補償裝置)2種方法來實現(xiàn)預(yù)載荷的控制。對于定位預(yù)緊，在轉(zhuǎn)速不太高和變速范圍比較小的情況下，采用剛性預(yù)載荷(改變內(nèi)外隔圈或軸承內(nèi)、外圈的寬度尺寸差)來施加預(yù)載荷。定位預(yù)緊控制預(yù)緊力十分有效，操作方便，但會隨速度的升高，軸系零件的發(fā)熱而變化，而且電主軸裝配完成后，其預(yù)載荷大小無法調(diào)整，當(dāng)軸承出現(xiàn)磨損時，更換軸承勢必要重新調(diào)整整個控制系統(tǒng)，這給用戶的維修帶來很多不便[7]。定壓預(yù)緊則是在轉(zhuǎn)速較高和變速范圍比較大的情況下，使用彈性預(yù)載荷裝置(選用合適的彈簧或借助油腔壓力變化)來調(diào)整預(yù)緊力大小，可減小溫度和速度對預(yù)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(fā)生軸向振動的場合，可采用定壓預(yù)緊。由于定壓預(yù)緊中自行設(shè)計和制造可調(diào)整預(yù)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(yù)緊對高速旋轉(zhuǎn)性能有利，但對系統(tǒng)剛度不利。對轉(zhuǎn)速變化幅度較大的主軸系統(tǒng)，為確保低速時的剛度和高速時預(yù)載荷的穩(wěn)定，可采用可變預(yù)載荷的預(yù)緊方式，比如：預(yù)載分檔或定位預(yù)載與定壓預(yù)載切換等[8]。為了滿足在不同工況下預(yù)緊力的優(yōu)化，目前已在研究開發(fā)通過壓電元件控制預(yù)緊力的微機控制預(yù)緊力系統(tǒng)，實現(xiàn)預(yù)緊力的在線控制[9]。

研究表明，組配軸承存在最佳預(yù)載荷值，其值與多種因素有關(guān)。因此在確定最佳預(yù)載荷時，應(yīng)綜合考慮軸承的組配方式、工作轉(zhuǎn)速、系統(tǒng)剛度及壽命等因素。

為提高主軸系統(tǒng)的支承剛度，機床主軸用滾動軸承通常采用雙聯(lián)或多聯(lián)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(lián)合載荷以及載荷方向不夠清晰的附加載荷。根據(jù)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(yù)緊)角接觸球軸承，這樣配置組合，就能簡化主軸結(jié)構(gòu)，使主軸運轉(zhuǎn)實現(xiàn)高速和高可靠性。文獻(xiàn)[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(shù)

對鋼制主軸軸承材料的研究和開發(fā)大致分為兩個方面：(1)采用新的冶煉技術(shù)和裝備，或?qū)鹘y(tǒng)的冶煉工藝和設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，降低鋼中氧含量及夾雜物的數(shù)量，改善夾雜物的分布、尺寸和形態(tài)，改善結(jié)晶狀態(tài)等，以提高原有鋼種的冶金質(zhì)量，生產(chǎn)出長壽命、純凈或超高潔凈鋼；(2)對原有鋼種的化學(xué)成分進(jìn)行改進(jìn)或開發(fā)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(chǎn)成本[11]。國內(nèi)軸承用鋼的發(fā)展與國外類似。以前，國內(nèi)主軸軸承的材料選用高品質(zhì)的軸承鋼GCr15和ZGCr15(軍甲鋼)(采用電渣重熔技術(shù)提高材料品質(zhì))，近十年來，由于軸承鋼冶煉技術(shù)的飛躍發(fā)展，尤其是真空冶煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高品質(zhì)的軸承鋼已經(jīng)不再局限于電渣重熔鋼，真空脫氣GCr15和GCr15SiMo 等材料已經(jīng)廣泛應(yīng)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(jīng)過多年研究，開發(fā)出了一種經(jīng)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(zhuǎn)時，通常認(rèn)為內(nèi)圈由于受到高的環(huán)向應(yīng)力作用而易于斷裂，使用SHX材料的內(nèi)圈，其內(nèi)部殘余應(yīng)力能抵消環(huán)向應(yīng)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(jīng)應(yīng)用于許多高速主軸，其性能已經(jīng)得到驗證。在要求高載荷、高可靠性方面，開發(fā)出了EP鋼以及一般環(huán)境下實現(xiàn)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(jìn)入高速機床領(lǐng)域。陶瓷材料與軸承鋼相比，其密度是鋼的40%，線膨脹系數(shù)不及鋼的1/4。因此，混合陶瓷球軸承高速旋轉(zhuǎn)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(fā)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(zhuǎn)速較同結(jié)構(gòu)鋼制軸承提高20%～30%，若能根據(jù)陶瓷材料的特性，對陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，其極限轉(zhuǎn)速還可以更高[1]。

1.4 保持架研究

為適應(yīng)滾動軸承的高精度、高轉(zhuǎn)速的發(fā)展方向，必須從保持架結(jié)構(gòu)、制造精度、材料選用和加工方法等全方位進(jìn)行研究，選用強度高、輕質(zhì)的保持架，采用合理的引導(dǎo)方式，以滿足軸承的高速性能?，F(xiàn)在，重量輕、自潤滑性能好、摩擦因數(shù)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(zhuǎn)設(shè)計的保持架，盡管其通常運行速度僅為內(nèi)圈的40%～50%，但由于要承受復(fù)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(dǎo)面)而產(chǎn)生的恒定發(fā)熱的影響，保持架容易斷裂、卡死及磨損。傳統(tǒng)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(dǎo)致攪動發(fā)熱，限制潤滑劑的用量又使得金屬保持架磨損嚴(yán)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(dá)到的速度領(lǐng)域也能使用脂潤滑。

角接觸球軸承，在dmn值小于1.4×106mm·r/min以下的使用領(lǐng)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1.4×106mm·r/min的領(lǐng)域，使用酚醛樹脂的優(yōu)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(yōu)良特性，微量潤滑時能發(fā)揮最佳的耐磨特性，極限溫度達(dá)240 ℃，油氣潤滑時，dmn值達(dá)3×106mm·r/min。高剛度系列雙列圓柱滾子軸承開發(fā)了耐熱性優(yōu)異的高剛度聚苯撐硫(PPS)保持架，性能優(yōu)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(dá)220 ℃，脂潤滑時，dmn值達(dá)1×106mm·r/min以上。工程塑料保持架的優(yōu)點是強度、彈性、塑流特性等優(yōu)異，能控制高速旋轉(zhuǎn)時保持架的變形，運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并能用成本低的模注法加工出理想的結(jié)構(gòu)。

保持架的引導(dǎo)方式有內(nèi)圈引導(dǎo)、外圈引導(dǎo)和滾動體引導(dǎo)。內(nèi)圈引導(dǎo)的轉(zhuǎn)動慣量小，可以節(jié)省材料，但與外圈引導(dǎo)相比允許的裝球數(shù)要少些；外圈引導(dǎo)轉(zhuǎn)動慣量大，裝球數(shù)比內(nèi)圈引導(dǎo)多些；滾動體引導(dǎo)在同樣的轉(zhuǎn)速下，比外圈引導(dǎo)和內(nèi)圈引導(dǎo)發(fā)熱量小，同時噪聲也相對小些，另外，外圈一側(cè)可以保持較多的潤滑脂，有利于實現(xiàn)潤滑脂的長壽命，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，通常為注塑型的塑料保持架。

高速應(yīng)用下，保持架兜孔的設(shè)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(dǎo)面間的摩擦引起的自激振動最小。

1.5 潤滑技術(shù)

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(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、容許溫升及軸承類型有關(guān)，常用的形式有：噴油潤滑、脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑等。進(jìn)入20世紀(jì)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(dǎo)地位，傳統(tǒng)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(jìn)入主軸內(nèi)部很有效。目前微量潤滑已成為主體[4]。

油霧潤滑系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速下會在軸承運轉(zhuǎn)的內(nèi)部產(chǎn)生“風(fēng)幕”，阻礙油霧潤滑系統(tǒng)可靠地向各個軸承供應(yīng)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(tài)，時多時少的潤滑油量不利于主軸軸承轉(zhuǎn)速和壽命的提高，新近發(fā)展起來的油氣集中潤滑系統(tǒng)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(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油分別、連續(xù)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(nèi)、外滾道間形成彈性動壓油膜，壓縮空氣則帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量，因此，油氣潤滑在高速電主軸用滾動軸承領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[12]。但油氣潤滑系統(tǒng)對潤滑油、壓縮空氣以及油路和供油方式都有一定的技術(shù)要求，所需設(shè)備復(fù)雜，成本較高。

近年來，從維護、簡化裝置和保護環(huán)境等方面來看，采用脂潤滑的要求仍比較強烈。JTEKT為了提高潤滑脂的使用壽命，開發(fā)了一種一體化軸承，在軸承內(nèi)部將自動維持潤滑系統(tǒng)整合在一起，能在所需的時間和地點提供小劑量的潤滑脂，無需壓縮空氣和外部的潤滑設(shè)備、管道，減少了油飛散，實現(xiàn)了簡化主軸結(jié)構(gòu)，降低成本和噪聲。另外，微量潤滑可能存在油飛濺、大量壓縮空氣的消耗、風(fēng)阻引起噪聲等問題，有的機床采取加裝防護罩等措施。NSK開發(fā)了旋轉(zhuǎn)噴射II型軸承(減少空氣流量，降低噪聲)；開發(fā)了能改善高速旋轉(zhuǎn)時耐壓性的 MTE潤滑脂和針對高速化發(fā)熱嚴(yán)重采用脲素增稠劑的MTS潤滑脂，延長了潤滑脂的壽命，同時開發(fā)了潤滑脂補充系統(tǒng)；為解決高速主軸中風(fēng)障的影響， NSK研發(fā)了能高速噴油的吸油潤滑結(jié)構(gòu)。

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(chǎn)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(zhuǎn)速和載荷的進(jìn)一步提高，功率越來越大，傳統(tǒng)的滾動軸承的結(jié)構(gòu)已經(jīng)難以滿足所需要的超高速、大功率的要求。磁懸浮軸承的應(yīng)用使得這種超高速、大功率的主軸成為可能[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(zhuǎn)速一般在1×105r/min以上。由于不存在機械接觸，轉(zhuǎn)軸可達(dá)到極高的回轉(zhuǎn)精度、較高的轉(zhuǎn)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(yōu)點。又由于磁懸浮軸承軸心的位置通過電子反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，故主軸剛度和阻尼可調(diào)，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(tǒng)復(fù)雜，長期以來沒有在超高速主軸單元上大面積推廣，但現(xiàn)已有成熟的產(chǎn)品供應(yīng)，具有很大的發(fā)展前景。在國外，汽車工業(yè)生產(chǎn)線和高速機床上采用磁懸浮主軸系統(tǒng)比較普遍，主軸轉(zhuǎn)速一般為40 000～70 000 r/min。在超精加工機床上，其性能指標(biāo)達(dá)到：旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速可達(dá)到60 000 r/min，可以緩進(jìn)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(xiàn)線速度為160 m/s的超高速磨削[14]。

2.1 磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的發(fā)展現(xiàn)狀

為了降低費用，增加設(shè)計的靈活性，人們對磁懸浮軸承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多方面研究。如自傳感器結(jié)構(gòu)、永磁與電磁結(jié)構(gòu)相結(jié)合、無軸承電動機及超導(dǎo)磁軸承等新型結(jié)構(gòu)。在這些結(jié)構(gòu)中，無軸承電動機結(jié)構(gòu)的發(fā)展前景比較好。因為普通的磁懸浮軸承軸向占據(jù)體積較大，導(dǎo)致電動機的軸向長度較長，同時臨界轉(zhuǎn)速下降，加上磁懸浮軸承本身結(jié)構(gòu)及控制比較復(fù)雜，體積較大，成本較高，限制了電動機向更高轉(zhuǎn)速的發(fā)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(xiàn)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(nèi)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(zhuǎn)速更高等優(yōu)點，但缺點是電磁轉(zhuǎn)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(shù)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(tǒng)的動態(tài)性能和系統(tǒng)可靠性有待進(jìn)一步提高；(3)剛度和承載能力對于大規(guī)模應(yīng)用還有一定難度，磁懸浮軸承剛度的大小取決于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和組成，因此，要提高磁懸浮軸承的剛度就必須對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更進(jìn)一步的優(yōu)化。

3 主軸用空氣軸承[13]

高速內(nèi)圓磨床主軸軸承一般采用空氣軸承?？諝廨S承采用空氣冷卻和氣膜支承，運轉(zhuǎn)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(xiàn)高速旋轉(zhuǎn)，特別適合做高速回轉(zhuǎn)副的支承元件。空氣軸承具有精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、摩擦功耗低等優(yōu)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(jié)構(gòu)

空氣軸承在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，近年相繼出現(xiàn)了表面節(jié)流、淺腔二次節(jié)流、多孔質(zhì)節(jié)流及浮環(huán)軸承等新類型。其中，氣體浮環(huán)軸承是一種較理想的高速軸承，這種浮環(huán)型軸承，當(dāng)軸承高速旋轉(zhuǎn)時，由于潤滑氣體的粘滯作用，使環(huán)也隨之以一定速度旋轉(zhuǎn)，即形成內(nèi)外氣膜的雙膜軸承；也可以環(huán)不旋轉(zhuǎn)，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(yōu)點是：功耗低；高速穩(wěn)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(jìn)一步的研究；(4)標(biāo)準(zhǔn)化、結(jié)構(gòu)系列化和設(shè)計計算方法不夠規(guī)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(dāng)高的工作精度，結(jié)構(gòu)簡單、制造容易和便于推廣應(yīng)用的優(yōu)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(fā)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(yīng)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(yōu)點的新型多油楔油膜軸承，其避免了靜壓軸承高速下發(fā)熱嚴(yán)重和供油系統(tǒng)龐大復(fù)雜，克服了動壓軸承啟動和停止時可能發(fā)生干摩擦的弱點，有很好的高速性能，而且調(diào)速范圍寬。其結(jié)構(gòu)緊湊，動、靜態(tài)剛度較高，價格也較高，使用維護較為復(fù)雜，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，在超高速主軸單元中應(yīng)用較少。

5 結(jié)束語

主軸軸承技術(shù)是高速機床主軸的關(guān)鍵技術(shù)，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(jié)構(gòu)簡單、剛度好、標(biāo)準(zhǔn)化高，但其轉(zhuǎn)速一般在1×105r/min以下，主要適用于一般的高速加工。通過對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及潤滑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)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(yīng)用場合，但其結(jié)構(gòu)較大且復(fù)雜，控制難度高。傳統(tǒng)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(yōu)點，將能很好地適應(yīng)超高速精密加工。目前，向更高轉(zhuǎn)速極限挑戰(zhàn)的主軸軸承研發(fā)工作還在持續(xù)地進(jìn)行中。