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1、1上海大学 20112012 学年秋季学期研究生课程考试小论文课程名称： 现代支承理论与技术专题 课程编号： 09SAS9022（专硕 09Z078006） 论文题目： 电主轴用高速角接触陶瓷球轴承 研究生姓名： 学 号： 论文评语：成 绩： 任课教师： 评阅日期： 21、电主轴电主轴1. 电主轴的结构及特点电主轴（High-speed Eletric Spindle）是将主轴和电机集成在一起的部件，主轴是电机的转 子，定子装入主轴套体内，这种结构减少了振动，增加了可靠性，可以获得高转速和高的 加（减）角速度3。其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动” 。从机床的主传动 系统来看，这种传动
2、方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节（如皮带、 齿轮、离合器等） ，实现了主电机与机床主轴的一体化。电主轴的这种传动方式有以下优点 4： （1）机械结构简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加（减）速度 和定角度的快速准停。 （2）采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术输出功率大，调速范围宽，有比较理想 的扭矩-功率特性。 （3）实现了主轴部件的单元化，可独立做成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生 产。 （4）减少了主轴的振动，减小了噪音，提高了主轴的回转精度。2. 电主轴国内外发展现状国外电主轴的开发比较早，目前美国、日本、德国和瑞士等工业发达国家已经
3、生产了多种 商品化高速机床。机床主轴部件业已经开始专业化生产，且产品已经系列化5。例如瑞士 生产的 HSM700 型高速立式加工中心，其主轴最高转速可达 42000r/min，最大进给速度 40m/min，主轴的驱动功率 14kw。日本生产的 VZ40 型加工中心，主轴的最高转速可达到 50000r/min，最大进给速度 20m/min，主轴的驱动功率为 18.5kw6。 目前我国已经开发了最高转速到 24000r/min 的电主轴，已经小批量装备国产机床。国内 钻、铣主轴最高转速已达到 80000r/min，并且具有自动拉刀机构，可以实现快速换刀功能。 我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起，目
4、前尚未形成批量生产规模，电主轴的各项性能 指标和国外尚有较大的差距。高转速、高精度的数控机床和加工中心所用的电主轴，大部 分都是从国外进口的7。3. 国内外高速电主轴的差距与国外同类产品相比，国产电主轴无论在品种和质量方面，还是在性能方面都有较大的差 距： 转速：国外用于加工中心等数控机床的电主轴转速已达 75 000 r/min，国内电主轴多在 15 000 r/min 以下；其他类型的电主轴，国外最高转速为 300 000 r/ min，我国最高转速则 为 150 000 r/ min。 输出扭矩：国外电主轴低速段的输出扭矩最大可达 300 Nm 以上，我国则多在 100 Nm 以内。 d
5、mn 值：国外电主轴轴承的 dmn 值一般在 100 万以上，磁悬浮轴承的 dmn 值可达 400 万以上；国内电主轴轴承的 dmn 值一般不超过 100 万。 轴承：国外电主轴多采用转速高、刚度大的陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊情况下采 用气体轴承和磁悬浮轴承；国内电主轴轴承主要从国外进口，国产轴承以钢质角接触球轴3承为主，工作寿命短。 电主轴产品化：国外电主轴已系列化、专业化，国产电主轴处于研发试制、小批量生产 阶段，仍主要依赖进口。 配套技术：电主轴润滑技术、电机矢量控制、交流伺服控制技术、轴端设计、精确定向 等配套技术，国内仍然不够成熟。 其他：国产电主轴平均寿命较短，不超过 900
6、小时；关键零件的精密加工和装配水平也 有较大差距。4. 结构原理图1.前轴承 2.定子 3.冷却水套 4.壳体 5.出水管 6.进气管 7.主轴 8.转子 9.进水管 10.后轴承5. 基本参数电主轴的型号（套筒直径、最高转速、输出功率等） 转速 n(p 为驱动电动机的极对数 2、4、6、8 等) 输出功率 P 输出转矩 M(最大转矩、额定转矩) Dmn 值（反应电动机功率和转速） 刚度和精度 恒转矩调速主轴在一定转速范围内改变转速时，输出转矩不变的调速方式。 一般的磨削用电主 轴及小型铣削用电主轴都为恒转矩电主轴。 恒功率调速在一定转速范围内改变转速时，输出功率可保持不变的调速方式。 一般在
7、起步及 低速段采用恒转矩调速，而高速段采用恒功率调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足 低速大进给的切削要求。6. 关键技术：高速轴承技术 高速电机技术4结构说明及油气润滑 冷却装置 内置脉冲编码器 自动换刀装置 高速刀具的装卡方式 高频变频装置2、轴承技术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。7. 磁悬浮轴承优点：机械磨损小能耗低、噪音小、寿命长、无需润滑、无油污染。 而且磁悬浮轴承 还是可控轴承，刚度和阻尼可调。 缺点：价格昂贵、控制系统复杂。发热问题不易解决。8. 动静压轴承优点：综合了动压轴承和静压轴
8、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。 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。9. 陶瓷球轴承优点：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，有利于降低滚动体和套圈滚到的摩擦力。 缺点：制造困难，造价较高。10.氮化硅陶瓷球轴承特性复合陶瓷轴承目前在
9、电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压 Si3N4 陶瓷球，轴 承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。 不同陶瓷材料与轴承钢性能见表 11。 轴承相比有如下基本特性： (1)转速高：氮化硅的密度仅为轴承钢的 40，由于陶瓷球的质量小，高转速下，产生的离 心力小，由此引起的轴承内应力也低，故能达到较高转速。5(2)刚性大：氮化硅的弹性模量约为轴承钢的 15 倍。根据赫兹理论，对两弹性接触体， 材料的弹性模量越高，相同载荷下，两物体的接触变形越小，即接触刚度越大。(3)摩擦发热小、温升低：由于陶瓷球轴承高速旋转时，球离心力低，内圈和外圈的接触 角之差较小，轴承的旋滚比、陀
10、螺力矩相应较小。同时，由于陶瓷材料的弹性模量大，在 接触区形成个较小的压力椭圆，轴承的摩擦力矩低，形成良好的运转特性，所以陶瓷球 轴承在高速时较钢制轴承摩擦发热小，温升低。 (4)热稳定性好：氮化硅材料的热膨胀系数约是轴承钢的 14，高速旋转条件下，当轴承温 度升高时，球和套圈的热膨胀差引起的轴承内部载荷变化相对缓和，即预紧力变化小，轴 承的温度变化小。 (5)寿命高：陶瓷球轴承的运转性能好与陶瓷材料的热膨胀系数小有关。因此陶瓷球轴承在 脂润滑条件下比钢制轴承有更长的使用寿命，应用于机床对还可节省油一气润滑系统，降 低生产成本。由表 1 可知 Si3N4 材料的密度只有钢的 41，在高速运转时
11、可大幅降低钢球受到的离心力， 从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。 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：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。3、陶瓷球轴承几何特性参数分析陶瓷球轴承几何特性参数分析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
12、初始状态 图，内外圈接触角均为 。图 2 为各滚动体的角位置编号。 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。6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。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。7根据图
13、 2 可列出每个滚动体水平和竖直方向的受力平衡方程：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 所示另外，还可由图 4 得到以下关系：8轴承轴向刚度 Ka。及径向刚度 Kr，可分别按下式计算：式中， a 为轴承圈相对于外圈的轴向位移，r 为内圈相对于外圈的径向位移。联立式 (6)一(11)，可得到以 ijej ar 和 Xrj Xaj 为未知量的非线性方程组。可以解 得以上未知量。4、动态特性参数分析动态特性参数分析陶瓷球轴承动态特性分析包括： 大小、 旋滚比 刚度内圈的移动、 接
14、触应力、 接触角变化、9离心力及陀螺力矩变化等。 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。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。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
15、动的趋势， 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。2、 接触角10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多。3、位移 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、 轴承刚度 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
