电主轴主轴支撑形式及轴承材质研究

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2013年 9月第41卷 第 17期机床与液压MACHINE T0OL& HYDRAULICSSep．2013Vo1．4l No．17DOI：10．3969／j．issn．1001—3881．2013．17．033电主轴主轴支撑形式及轴承材质研究张宏林(西安思源学院，陕西西安 710038)摘要：对高速电主轴主轴支撑方案进行分析，提出在高转速、大负荷工况下，水润滑动静压滑动轴承是一种可行的主轴支撑解决方案；并从提高主轴刚度、阻尼和回转精度等角度出发，选择了两种可用于水润滑的轴承的匹配材质，为电主轴主轴支撑设计提供参考。

关键词：水润滑；动静压滑动轴承；材质；支撑形式中图分类号 ：TH133 文献标识码 ：A 文章编号：1001—3881(2013)17—120—3Research on Electric Spindle Supporting Forms and Bearing M aterialsZHANG Honglin(Xi’an Siyuan University，Xi’an Shaanxi 7 10038，China)Abstract：The high—speed electric spindle supporting schemes were analyzed．At high speed，high load conditions，water lubri—cared hydrostatic bearing was put forward as a kind of feasible spindle support solution．In order to improve the stifness，damping andspindle rotary precision，two kinds of matching materials were chosen for water lubricated bearing．It provides reference for electricalspindle supporting design.

Keywords：Water lubrication；Hydrostatic sliding bearing；Material；Supporting forms1 电主轴主轴轴承的选用电主轴电机转子套装于主轴之上，使电机和主轴合为一体，真正实现了零传动，使电机与主轴间的传动误差降至最小。随着对机床加工效率要求的日益提高，也伴随着高速切削刀具和高速加工技术的持续发展，迫切需求电主轴获得更高的转速。电主轴的支承核心是高速精密主轴轴承，其性能好坏直接影响电主轴的工作性能。因此，提高主轴转速的前提是开发出性能优越的高速主轴轴承。

目前 ，主轴的支承主要有磁浮轴承、陶瓷球轴承、液体动静压轴承3种形式。

磁浮轴承是一种高性能非接触式支承轴承，其高速性能好、精度高，但承载力偏低，不适用于以提高加工效率为目标的大切深工况需求。

当前应用最多的高速电主轴轴承是角接触混合陶瓷球轴承，采用油气润滑方式。其滚动体使用热压Si N 陶瓷球 ，采用 “小珠密珠”结构，轴承内外圈仍为钢圈。这种轴承结构较简单，标准化程度高，具有极限转速高、温升小、刚度大、便于维护保养等优点，适合高速运行场合，它的D Ⅳ值已超过2．7×10 mm·r／min。但陶瓷球轴承制造难度大、成本高，由于滚珠与轨道为点接触 ，局部接触应力很大，因此对拉伸应力和缺口应力敏感，寿命相对较短，精度较难控制。同时由于高速离心力和陀螺力矩等高速惯性力的作用，会产生较大的接触变形?，使电主轴的刚性变差，不利于高精度加工。

若主轴采用滑动轴承，显然能提供更高的承载力。但主轴高速旋转时，滑动轴承内微小间隙内的油膜会产生很高的热量，限制了主轴转速的进一步提升。而此时若改用水润滑 ，由于水的黏度很低 (20℃时水的动力黏度只有约 10～Pa·s)，则可大大降低轴承润滑薄膜的内摩擦力和温升，此方法不失为提高主轴转速的新思路。但也正因为水的黏度低，轴承往往工作于紊流润滑状态，单纯依靠流体动压效应显然不能满足轴承对承载力的要求，因此水润滑轴承大都采用动静压混合形式。

液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点，启动或停车时也可形成油膜以防止摩擦磨损。动静压轴承还能承受方向不断变化的动载荷以及瞬时过载，特别适合于镗、铣床和加工中心等切削振动较大的工况，同时具备较大的承载力。由于动静压轴承油膜动压效应的承载量和轴的转速Ⅳ成正比，在主轴转速越高的时候，其动压效果越明显，承载力更高，刚性更好。

液体动静压滑动轴承分为深油腔动静压轴承和浅油腔动静压轴承。其中浅油腔轴承可省去节流器，因收稿日期：2012—09一o1作者简介：张宏林 (1972一)，男，工程师，硕士，主要从事数控机床的教学与科研工作。E—mail：elihui677543###si—第 17期 张宏林：电主轴主轴支撑形式及轴承材质研究 ·121·为浅油腔本身还能兼作节流器，它利用孔式环面节流与浅腔节流串联的结构，使压力油进人油腔中产生足够大的静压承载力，将主轴悬浮在高压油膜中间。当主轴旋转时，依靠浅腔阶梯效应形成较大的动压承载力，有效地提高了主轴刚度 。同时由于高压油膜的误差均化作用，保证主轴具有很高的旋转精度和良好的抗振性与运转平稳性，主轴的径向跳动综合误差一般可长期保持在0．003 mm以内 。

如此看来，水润滑动静压滑动轴承更适合做机床主轴的支撑。液体动静压轴承优点是：(1)轴承与轴可处于完全流体润滑状态，没有直接接触，也正因为这一点，轴承材料的亲水性如何反倒无关紧要。由于轴承无接触磨损，故使用寿命长。

(2)由于液体动静压轴承的压力油膜具有高阻尼和良好的吸振能力 ，故主轴运转更平稳，动态特性好。

(3)由于动静压轴承承载面较大 (为轴承直径D与轴承宽度曰的乘积)，在全转速范围内能保持很高的承载能力、刚度、旋转精度和抗振性。

但是以上所提及的优点，均要求主轴轴承系统的温升和热变形得到有效的控制 ，即主轴系统中应采用可靠的循环冷却结构，使电动机与前后轴承温升控制在一定的范围内，这是真正的问题矛盾所在。

具体在轴承设计时，则必须考虑：(1)由于孔式环面节流和浅腔节流近距离串联造成了流动液体的紊流现象。紊流流态能使油膜的承载力增加，刚度和阻尼提高，这是优点。但是在相对剪切运动和压力作用下 ，互相黏滞的油膜内各油层之间会产生较大的摩擦功耗和油膜温升，这是缺点。在紊流润滑的工况下，热效应更为显著 。

(2)应考虑液体的体积模量的影响，将流体视为弹簧，考虑由于主轴的偏心所造成的动压效应对流体本身的压缩作用；(3)轴承的温升使润滑液体的黏度发生变化。

在温升不是很严重时 ，若以水为润滑介质，其实影响并不严重；(4)以水作为润滑介质时，由于水的汽化压力高会产生空穴现象 ，而温度的升高会使滑动轴承气蚀量大大增加。

(5)主轴的高速旋转带动流体运动所产生的惯性因素也应考虑在内，不能使用雷诺方程而忽略惯性力的影响，而应使用N．s方程进行计算和分析。

2 水润滑动静压轴承材质选择注意事项水润滑动静压滑动轴承材质选择应考虑的问题 ：(1)由于相同工况下水膜的厚度约为油膜厚度的1／8，可能会出现边界润滑或干摩擦情况 (受到冲击载荷时)，因此轴承材料应具有一定的硬度、较高的耐磨性。

(2)主轴与轴承应在硬度上匹配，且有一定的硬度差值，防止某一方磨损过快。

(3)纯水的导电性比普通润滑油高数亿甚至数百亿倍，会使绝大多数金属材料发生电化学腐蚀，也会使高分子化学材料产生化学老化，因此轴承材料的耐腐蚀性受到严峻考验。

(4)材料应具有一定的减摩性、小的摩擦因数，以防止瞬间的边界润滑造成轴承温度骤升。

(5)材料应具有较高的弹性模量，防止弹性变形造成主轴的回转精度和刚度变差。这一点对机床主轴尤为重要，因为机床是 “母机”，是制造机器的机器。

(6)材料应具有一定的热导率，防止热量在轴承处聚集，造成轴承温度过高。

(7)材料应具有一定的耐热性，不会因较高的温度造成力学性能大幅下降。

(8)材料或其填充剂与水应有一定的亲和性，以产生有效润滑作用的表面吸附物，则其润滑性能会好些。这一点在动静压轴承选材时也应加以考虑。

(9)材料应具有尺寸稳定性，精加工后的尺寸可长期保持。若选择塑料或橡胶类材料，材料的吸水性、水涨性应限制在一定范围内。

(10)材料应具有一定的抗冲击性 ，防止突然的载荷变动造成轴承破损 (选择脆性材料时牵扯这一问题)。

(11)材料应具有一定嵌藏性，使流体中的硬质颗粒不会造成轴承过度磨损。

由以上分析可知，水润滑动静压滑动轴承由于工作间隙非常狭小 (润滑水膜设计厚度为0．015 mm)，同时高转速和大切削力矩使电主轴轴承承受极大的机械负荷和热负荷，其工作环境是非常恶劣的，因此对滑动轴承材质的要求也是非常苛刻的。显然水润滑材质的选择很难同时满足以上要求。

以水作润滑介质本身也具有 以下缺点 ： (1)由于水的沸点低，所以水润滑轴承不能使用在高温环境中，轴承的有效冷却显得尤为重要； (2)水具有腐蚀性，特别是在电机定子和转子的作用下 ，水的电化学腐蚀性更强； (3)水的汽化压力高，水润滑系统中很容易产生气蚀，这会影响水的体积弹性模量，同时气泡凝结处局部的高温、高压使材料表面产生疲劳并受到侵蚀。

现对常见的水润滑轴承材料进行分析，以选择适用的材料。

3 水润滑动静压轴承材质选择材质选择首先应注意材料的弹性模量，这是因为· 122· 机床与液压 第41卷当轴承体结构刚度比油膜刚度大很多时，油膜挤压阻尼是主要的阻尼源；如果轴承结构刚度比油膜刚度小很多时，则大部分变形发生在轴承体上，此时轴承体结构阻尼c 是主要阻尼源，因为此时高刚度水膜犹如一个刚体，则水的高阻尼就对结构共振和干扰力不起多大的阻尼作用了。 。用体积模量 表征液体抵抗变形的能力K =一水在20 c(=和一个标准大气压下的体积模量K值为2．18 GPa，那么所选轴承材料的弹性模量至少不应该比这个数值小，否则主轴的刚性和阻尼性变差。

如图 1所示 ，是一 个动静压轴承油膜和轴承体组成的低频振动力 学模型，轴 的 油膜刚质量为 m，油膜和轴承体的刚度和阻尼分别 为 K 、C 和 K 、结构刚c 。在干扰力 F(t)表 1 不同材料的弹性模量由表 1可看出：塑料和橡胶具有较低的弹性模量，甚至比水的体积模量更小，不适合作高精度机床的轴承支撑。比如塑料材料中应用最多的塑料轴承是酚醛树脂轴承和氟化乙烯树脂轴承，另外还有超高分子量聚乙烯、尼龙、聚四氟乙烯和聚酞胺等，它们都是优良的水润滑轴承材料，但其弹性模量普遍较低，因此不适宜作精密电主轴轴承的支撑。现列出作者推荐的轴承材料。

方案一：青铜轴承配不锈钢轴传统的滑动轴承材料多为金属，金属材料的弹性系数和硬度高，耐磨性很好，在高负荷、低转速的边界润滑条件下得到很多应用。但是其密度大、热导率与热膨胀系数大，如果用在精密主轴系统中，主轴性能会随着轴承温度的变化受到很大影响，因此应设计可靠的冷却系统。同时由于金属有腐蚀问题，因此用作水润滑滑动轴承的金属多是青铜、高强度黄铜和铝青铜等材料。由于轴也会产生腐蚀，必须采用不锈钢，或经镀铬处理的轴材料。但在电主轴这种特殊的工作环境下，镀铬处理的轴材料在水这种电解质中会因异种金属接触产生电化学腐蚀，因此应采用整体不锈钢制作主轴。

方案二：陶瓷轴承配不锈钢轴陶瓷材料具有高硬度、耐磨损、耐化学腐蚀、热膨胀系数小等优良特性，因此它可以适应水润滑短时间内的的边界摩擦和干摩擦状态，同时也不易发生腐蚀。在水润滑条件下，A1，0 经流体摩擦会产生 Al(OH) ，可以提高其耐磨性。非氧化物陶瓷 Si N 和SiC会发生较明显的水合反应，形成一层胶状 SiO，反应层附着在摩擦副表面 ，使表面如同抛光一样非常光滑，同时更利于完整水膜的形成，保证水润滑轴承的刚度及精度 ，因此硅基陶瓷轴承在水润滑条件下性能更好。由此可见，水润滑陶瓷轴承可以使用在高温、高速场合，具备实现高速高精度指标的条件。

但是以陶瓷做水润滑材料也有其缺点，需加以防范：(1)最显著的缺点是陶瓷轴承脆性大，抗冲击性和抗振性能均差 ，在冲击载荷的作用下易碎。

(2)陶瓷轴承对磨粒的嵌藏性能差，一旦磨粒进入轴与轴承表面之间，容易造成轴与轴承表面之间严重的磨粒磨损。对于浅油腔动静压轴承，浅腔与主轴的间隙设计为0．03 mm，也会存在这样的问题，即磨粒不易被冲走。

(3)由于陶瓷硬度 比一般金属的硬度还高，与轴的硬度匹配不佳，轴的磨损比轴承要严重。对这一点作者认为，可在主轴金属材料表面沉积硬质薄膜，如类金刚石薄膜 (DLC)和非晶氮化碳 ( —CN )薄膜。碳基薄膜不仅具有高硬度、高热导率和低摩擦因数，还具有极好的耐蚀性和生物相容性，在水中显示出优异的减摩抗磨的性能 。

但理论上讲，动静压轴承的主轴是被水膜悬浮起来的，而偏心越大时承载力会急剧增大，那么主轴与轴承实际接触的可能性并不很大，当然高承载力要依赖于较高的泵水压力和较高的主轴转度。

(4)陶瓷材料难以加工，精密级部件的加工更加困难，而水润滑轴承要求轴承间隙很小 (约0．015film)，要求的精度等级很高 (约5级精度)，加工将更加困难。但近年来，随着金刚石、立方氮化硼加工工具的发展，磨削成为精密陶瓷滑动轴承部件制造的主要方法，其精度可达到微纳米级，只是制造成本相(下转第 84页)· 84· 机床与液压 第 41卷[ ， ?]，解码后再根据此区域进行编码。由于群体在整体上朝着最优的方向发展，使群体集中到适应值高的区域，因而 [ ， ?]不断缩小，搜索区域缩小则算法很快得到最优解。

模拟退火算法起源于对固体退火过程的模拟，是局部搜索算法的扩展，它不同于局部搜索之处是以一定的概率选择领域中费用值大的状态。从理论上分析，它是一个全局最优算法，主要通过采用 Metmpo—lis接受准则，并用一组冷却进度表的参数控制算法进程，使算法在多项式时间里给出一个近似优化解，是一种适合于求解混合离散化问题和目标函数不可微的复杂非线性问题的随机性方法，不仅接受使目标函数值变 “好”的点 ，而且还能够以一定概率接受使 目标函数值变 “差”的点，这种计算方法有利于避免搜索过程陷大局部最优解，可以有效地搜索到全局最优解。

进化算法是一类模仿生物进化的优化算法，主要包括遗传算法 (GA)、遗传编程法 (GP)、进化规划法 (EP)、进化策略法 (ES)和模拟退火法 (SA)等，其运算过程与生物进化过程相仿。对优化问题无可微性和连续性要求，具有全局收敛性、通用性及鲁棒性强等优点。

粒子群算法是一种进化算法，粒子群算法的优点是收敛速度快，但存在算法精度较低、易发散等缺点。和其他的优化算法相比，粒子群算法不仅具有全局寻优能力，而且编程简单，易于推广使用。建立的切削参数优化模型不一样，相应地就有不同的优化方法。如在前面所提及的基于模糊粗糙集理论优化方法、极值法等。具体的算法请参考有关专著。

4 结束语大批量汽车零件加工生产 中，零件装配互换性高，质量稳定性要求高。采用基于 CBN刀具的硬车削加工新工艺技术，通过合理优化切削加工参数'／3、.

、 o。，降低工序加工时间，提高零件加工单班产量，降低工艺成本，优化工艺参数，能综合提高综合经济效益。

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(上接第122页)对昂贵。

4 结束语对高速电主轴主轴支撑方案进行了分析，提出在高转速、大负荷工况要求下，水润滑动静压滑动轴承是一种可行的主轴支撑解决方案；并从提高主轴刚度、阻尼和回转精度等角度出发，选择了两种可用于水润滑的轴承的匹配材质，为电主轴主轴支撑设计提供参考。

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