高速加工中的机床主轴轴承技术

杨立芳，叶军

(洛阳轴研科技股份有限公司，河南 洛阳 471039)

20世纪90年代兴起的超高速加工比一般加工有更高的转速、更快的进给速度，可提高生产效率，降低加工成本，改善表面加工质量，故需实现机床主轴的高速化和高效率化。机床主轴被称作机床的“心脏”，高速机床采用电动机与主轴融合在一起的电主轴，是一种直接依赖于高速轴承、电动机、精密数控与精密制造等技术的高度机电一体化的功能单元，由于省去了中间传动环节，其转速一般可达到每分钟几万甚至十几万转。电主轴内部的支承核心——主轴轴承，承受较大的径向和轴向载荷，需具有较高的回转精度和较低的温升，尽可能高的径向和轴向刚度，较长的、保持精度的使用寿命。因此，主轴轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。目前在高速主轴单元中采用较多的支承轴承主要有滚动轴承、磁悬浮轴承、空气轴承和动静压轴承。以下就主轴轴承的主要技术及发展类型进行综述。

1 主轴用滚动轴承

滚动轴承因其结构简单、成本低、刚性大、高速性好、使用维护方便等优点，一直都是机床主轴的首选支承部件。

机床主轴轴承常见的滚动轴承类型主要有深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承和圆锥滚子轴承。其中，角接触球轴承因制造精度高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和一个方向的轴向载荷，在高速机床主轴的支承中被广泛地应用[1]。主轴用滚动轴承技术主要有滚动轴承的结构优化、预紧和配置形式、材料技术、保持架研究和润滑技术等。

1.1 结构优化

主轴用滚动轴承结构优化的期望目标之一是提高其高速性能。对于轴承的优化设计，首先要确定其目标函数，如轴承中球的旋滚比、刚度、接触应力及额定动载荷等，优化的变量有沟曲率系数、球组节圆直径、球径、球数等，根据重要程度对目标函数和优化变量进行优先排序，然后再设计内、外套圈及保持架的结构，实现既提高轴承的极限转速又能使温升尽可能低的高速性能[2]。

轴承的极限转速是轴承在一定工作条件下，达到所能承受的最高热平衡温度时的转速极限值。主轴轴承的极限转速与轴承的接触角、公差等级、工作状态、润滑方式、组配形式、预载荷以及材料种类等多种因素有关[1]，同时还与工作环境的热载荷有关。由于滚动轴承的转速主要受轴承内部摩擦发热而引起的温升限制，当转速超过某一界限值后，轴承内部会因温度不断升高而发生热粘着，以致不能继续使用。电主轴也易受周围环境变化的影响(如电动机发热、对轴套的冷却)，尤其是在转速急剧变化过程中，这些变化使轴承处于严重的热载荷下，很容易引起轴承卡死，因此，要采取措施降低轴承对外部热载荷的敏感度。

具有良好高速性能的精密角接触球轴承是高速主轴常选用的轴承。角接触球轴承在工作时作用力与轴承径向面有一接触角，一般为15°，25°或40°，接触角越大，则轴向承载能力越大；接触角越小，则越有利于高速旋转，通常采用15°和25°。接触角为25°的主轴轴承，其极限转速约为同结构15°接触角轴承的90%[1]。另外，角接触球轴承内、外圈挡边的一面有一斜坡锁口，是为了装入比深沟球轴承更多的钢球。机床主轴精密轴承常用的公差等级有5，SP，4，4A，UP，2和2A级[4]。轴承的游隙、沟曲率系数、挡边形状等都要做适于高速性能的优化结构设计。

用作主轴轴承的圆柱滚子轴承，一种是采用单列圆柱滚子轴承(N型)，其外圈为直滚道，内圈带挡边；另一种是双列圆柱滚子轴承(NN型)。双列圆柱滚子轴承不能承受轴向载荷，一般与双向推力角接触球轴承(能承受双向轴向载荷)配套应用于主轴的工作端，以达到较高的径向刚度和轴向刚度来承受较大的切削力和进给力，或者应用于要求承载能力高的主轴后端。为了实现滚子轴承的高速性能，需要优化挡边的高度，控制滚子和挡边之间的间隙，提高滚子的精度，从而降低发热，避免滚子端部和挡边间的擦伤和卡死。

用作主轴轴承的圆锥滚子轴承，由于其滚子大端面与内圈大挡边接触面间摩擦严重，高速运转会导致温度急剧上升，所以在优化设计轴承结构的同时，需要考虑润滑以及圆锥滚子轴承适用的速度范围。

超高速轴承设计中，为了减小离心力和陀螺力矩，通常采用减小滚动体直径、增加滚动体数量和选用轻质材料等方法。现在一种新型空心圆柱滚子轴承已用于机床主轴轴承，与实心圆柱滚子轴承相比具有更高的回转精度、刚性、极限转速和低的温升等优点[4]。

国外开发了多种适于主轴高速性能的滚动轴承。日本NSK开发了一种能耐受较大热扰动的轴承系列——ROBUST系列角接触球轴承, 具有耐热性和低发热性的优点，适合高速主轴轴承的工作环境。ROBUST系列角接触球轴承通过优化内部设计，对球径、内外圈沟曲率、接触角及其他相关因素进行分析，考虑了高速旋转下圆周应力对内圈的影响，并使用一种由NSK开发的碳氮共渗特殊轴承材料SHX，能够最大限度地降低发热，有效地改善轴承抗卡死性能，满足了电主轴高速性能的严格要求，在加工中心领域已采用。

德国FAG公司开发了HS70和HS19系列高速主轴轴承，将球径缩小了30%，并增加了球数，制造的空心钢球可减小离心力和陀螺力矩。为减小外圈所受应力，外沟通使用“拱形”，在高速旋转时，球与外圈两点接触，因应力分散而提高轴承寿命[5]。另一种低发热轴承，则是重点研究了润滑剂在离心加速度作用下的运动轨迹，将保持架的导向区精确地定位在离心力对润滑剂作用最大的地方，从而达到润滑剂的最佳分布和可靠供应[6]。

1.2 预紧和配置形式

为了保证主轴单元的刚性、旋转精度，并控制滚动体的公转和自转打滑，降低噪声等，需要对主轴轴承施加一定的预紧载荷。例如，角接触球轴承能承受径向和一个方向的轴向载荷，在径向载荷作用下，轴承内部产生一个沿轴向方向作用的力，必须有另一相对的外力(预载荷)来平衡。合适的预载荷不仅可以消除轴承的轴向游隙，抑制滚动体的旋转滑动，还能减小高速旋转时滚动体与内、外圈滚道接触角的变化，以影响整个系统的阻尼特性，从而提高轴承刚度和旋转精度；另外，还可以降低振动噪声、抑制温升和延长疲劳寿命。但是预载荷过大，会加剧轴承的摩擦，使温升迅速提高，以致造成烧伤，降低使用寿命[7]。

轴承的预紧方式有径向预紧和轴向预紧。径向预紧适用于圆柱滚子轴承；轴向预紧适用于角接触球轴承、圆锥滚子轴承和推力轴承。角接触球轴承的轴向预紧，又可分为定位预紧和定压预紧[9]。即采用改变轴承结构和采用预紧力补偿原理(独立制作预紧力补偿装置)2种方法来实现预载荷的控制。对于定位预紧，在转速不太高和变速范围比较小的情况下，采用刚性预载荷(改变内外隔圈或轴承内、外圈的宽度尺寸差)来施加预载荷。定位预紧控制预紧力十分有效，操作方便，但会随速度的升高，轴系零件的发热而变化，而且电主轴装配完成后，其预载荷大小无法调整，当轴承出现磨损时，更换轴承势必要重新调整整个控制系统，这给用户的维修带来很多不便[7]。定压预紧则是在转速较高和变速范围比较大的情况下，使用弹性预载荷装置(选用合适的弹簧或借助油腔压力变化)来调整预紧力大小，可减小温度和速度对预载荷的影响。对于速度性能和使用寿命要求较高的电主轴，或者需要防止轴系发生轴向振动的场合，可采用定压预紧。由于定压预紧中自行设计和制造可调整预载荷的装置(如弹簧等)会吸收轴承的相对位置的微小变化，所以定压预紧对高速旋转性能有利，但对系统刚度不利。对转速变化幅度较大的主轴系统，为确保低速时的刚度和高速时预载荷的稳定，可采用可变预载荷的预紧方式，比如：预载分档或定位预载与定压预载切换等[8]。为了满足在不同工况下预紧力的优化，目前已在研究开发通过压电元件控制预紧力的微机控制预紧力系统，实现预紧力的在线控制[9]。

研究表明，组配轴承存在最佳预载荷值，其值与多种因素有关。因此在确定最佳预载荷时，应综合考虑轴承的组配方式、工作转速、系统刚度及寿命等因素。

为提高主轴系统的支承刚度，机床主轴用滚动轴承通常采用双联或多联的组配方式[1]。通常，深沟球轴承、圆柱滚子轴承用来承受主轴的径向载荷；推力球轴承或推力滚子轴承用来承受轴向载荷；角接触球轴承和圆锥滚子轴承用来承受径向、轴向联合载荷以及载荷方向不够清晰的附加载荷。根据机床的工作特点，为主轴选用不同的轴承配置形式。例如，因为圆柱滚子轴承能够补偿轴的热膨胀，如果后端使用超高速单列圆柱滚子轴承，前端使用耐用性好的(定位预紧)角接触球轴承，这样配置组合，就能简化主轴结构，使主轴运转实现高速和高可靠性。文献[10]中列出了机床主轴中常见的滚动轴承的配置形式和性能特点。

1.3 材料技术

对钢制主轴轴承材料的研究和开发大致分为两个方面：(1)采用新的冶炼技术和装备，或对传统的冶炼工艺和设备进行改进，降低钢中氧含量及夹杂物的数量，改善夹杂物的分布、尺寸和形态，改善结晶状态等，以提高原有钢种的冶金质量，生产出长寿命、纯净或超高洁净钢；(2)对原有钢种的化学成分进行改进或开发全新轴承用钢，以满足不同使用场合对轴承越来越高的性能要求，或在具有同样性能的前提下降低材料费用和整个轴承的生产成本[11]。国内轴承用钢的发展与国外类似。以前，国内主轴轴承的材料选用高品质的轴承钢GCr15和ZGCr15(军甲钢)(采用电渣重熔技术提高材料品质)，近十年来，由于轴承钢冶炼技术的飞跃发展，尤其是真空冶炼技术的广泛应用，高品质的轴承钢已经不再局限于电渣重熔钢，真空脱气GCr15和GCr15SiMo 等材料已经广泛应用于主轴轴承[3]。

国外近年研制了多种新钢种，例如，NSK公司经过多年研究，开发出了一种经表面淬硬的SHX耐热钢，SHX具有良好的抗卡死和耐磨损特性，并且寿命长(比SUJ2钢制的轴承寿命长3～4倍)。在超高速运转时，通常认为内圈由于受到高的环向应力作用而易于断裂，使用SHX材料的内圈，其内部残余应力能抵消环向应力，因此可以大大地避免断裂。用SHX材料制造的ROBUST系列轴承已经应用于许多高速主轴，其性能已经得到验证。在要求高载荷、高可靠性方面，开发出了EP钢以及一般环境下实现长寿命的Z钢。

另外，由氮化硅陶瓷做滚动体的混合陶瓷球轴承也已进入高速机床领域。陶瓷材料与轴承钢相比，其密度是钢的40%，线膨胀系数不及钢的1/4。因此，混合陶瓷球轴承高速旋转时，作用于球的离心力及摩擦力矩小，球和套圈的热膨胀差引起的轴承载荷相对缓和，轴承摩擦发热少、磨损轻，高速性能得以提高；而且，由于陶瓷材料的纵向弹性模量约为轴承钢的1.5倍，故陶瓷球轴承的刚性也比钢制轴承大[7]。陶瓷球轴承的极限转速较同结构钢制轴承提高20%～30%，若能根据陶瓷材料的特性，对陶瓷球轴承的结构进行优化，其极限转速还可以更高[1]。

1.4 保持架研究

为适应滚动轴承的高精度、高转速的发展方向，必须从保持架结构、制造精度、材料选用和加工方法等全方位进行研究，选用强度高、轻质的保持架，采用合理的引导方式，以满足轴承的高速性能。现在，重量轻、自润滑性能好、摩擦因数小的工程塑料保持架已广泛用于机床主轴轴承。

为高速旋转设计的保持架，尽管其通常运行速度仅为内圈的40%～50%，但由于要承受复杂的碰撞以及与滚动体的局部滑动(例如：滚子与保持架兜孔接触面及引导面)而产生的恒定发热的影响，保持架容易断裂、卡死及磨损。传统的金属保持架采用喷射润滑，在高速主轴轴承中，由于过多的润滑剂会导致搅动发热，限制润滑剂的用量又使得金属保持架磨损严重，因而不适合使用。目前高速主轴轴承中所用的保持架材料趋向于工程塑料，其韧性好、重量轻、耐热、耐磨损，使得原来只有油润滑才能达到的速度领域也能使用脂润滑。

角接触球轴承，在dmn值小于1.4×106mm·r/min以下的使用领域一般采用塑料保持架，可以提高轴承性能，如聚酰胺保持架；dmn值超过1.4×106mm·r/min的领域，使用酚醛树脂的优越性更高。耐用系列超高速单列圆柱滚子轴承采用玻璃纤维+聚醚醚酮(PEEK)工程塑料保持架。这种聚合物通过添加玻璃纤维，具有重量轻、耐热、耐磨损、抗断裂等优良特性，微量润滑时能发挥最佳的耐磨特性，极限温度达240 ℃，油气润滑时，dmn值达3×106mm·r/min。高刚度系列双列圆柱滚子轴承开发了耐热性优异的高刚度聚苯撑硫(PPS)保持架，性能优于过去使用的圆柱型聚酰胺保持架，噪声也比铜合金保持架有所降低，极限温度达220 ℃，脂润滑时，dmn值达1×106mm·r/min以上。工程塑料保持架的优点是强度、弹性、塑流特性等优异，能控制高速旋转时保持架的变形，运转平稳，并能用成本低的模注法加工出理想的结构。

保持架的引导方式有内圈引导、外圈引导和滚动体引导。内圈引导的转动惯量小，可以节省材料，但与外圈引导相比允许的装球数要少些；外圈引导转动惯量大，装球数比内圈引导多些；滚动体引导在同样的转速下，比外圈引导和内圈引导发热量小，同时噪声也相对小些，另外，外圈一侧可以保持较多的润滑脂，有利于实现润滑脂的长寿命，但其结构复杂，制造困难，通常为注塑型的塑料保持架。

高速应用下，保持架兜孔的设计需要考虑选用材料的强度大小、变形量大小以及其具有的摩擦性能，使保持架中由兜孔与引导面间的摩擦引起的自激振动最小。

1.5 润滑技术

超高速主轴必须采用正确的润滑方式来控制轴承的温升，以保证机床工艺系统的精度和稳定性。润滑方式的选择与轴承的转速、载荷、容许温升及轴承类型有关，常用的形式有：喷油润滑、脂润滑、油雾润滑、油气润滑等。进入20世纪80年代后，由于加工中心的高速化，油气、油雾等微量润滑占了主导地位，传统的喷油润滑和脂润滑等均已不能满足高速主轴轴承对润滑的要求。在使用高压喷射切削液的主轴中，油气和油雾润滑对于防止切削液进入主轴内部很有效。目前微量润滑已成为主体[4]。

油雾润滑系统在高转速下会在轴承运转的内部产生“风幕”，阻碍油雾润滑系统可靠地向各个轴承供应几乎恒定的润滑油，使各个摩擦点的润滑油量始终处于一种波动状态，时多时少的润滑油量不利于主轴轴承转速和寿命的提高，新近发展起来的油气集中润滑系统则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极高。油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别、连续不断地、精确地供给每一套主轴轴承，微小油滴在滚动体和内、外滚道间形成弹性动压油膜，压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量，因此，油气润滑在高速电主轴用滚动轴承领域得到广泛应用[12]。但油气润滑系统对润滑油、压缩空气以及油路和供油方式都有一定的技术要求，所需设备复杂，成本较高。

近年来，从维护、简化装置和保护环境等方面来看，采用脂润滑的要求仍比较强烈。JTEKT为了提高润滑脂的使用寿命，开发了一种一体化轴承，在轴承内部将自动维持润滑系统整合在一起，能在所需的时间和地点提供小剂量的润滑脂，无需压缩空气和外部的润滑设备、管道，减少了油飞散，实现了简化主轴结构，降低成本和噪声。另外，微量润滑可能存在油飞溅、大量压缩空气的消耗、风阻引起噪声等问题，有的机床采取加装防护罩等措施。NSK开发了旋转喷射II型轴承(减少空气流量，降低噪声)；开发了能改善高速旋转时耐压性的 MTE润滑脂和针对高速化发热严重采用脲素增稠剂的MTS润滑脂，延长了润滑脂的寿命，同时开发了润滑脂补充系统；为解决高速主轴中风障的影响， NSK研发了能高速喷油的吸油润滑结构。

2 主轴用磁悬浮轴承

磁悬浮轴承是利用多副在圆周上互为180°可控电磁铁产生径向方向相反的吸力，将主轴悬浮于空中，使轴颈与轴承之间没有机械接触的一种高性能轴承[7]。随着主轴转速和载荷的进一步提高，功率越来越大，传统的滚动轴承的结构已经难以满足所需要的超高速、大功率的要求。磁悬浮轴承的应用使得这种超高速、大功率的主轴成为可能[13]。

磁悬浮轴承电主轴[13]，主要是用在大功率超高速的机床上，转速一般在1×105r/min以上。由于不存在机械接触，转轴可达到极高的回转精度、较高的转速和较大的功率，同时具有温升低、无需润滑、无油污染、寿命长等优点。又由于磁悬浮轴承轴心的位置通过电子反馈控制系统进行自动调节，故主轴刚度和阻尼可调，并可自动动平衡，从而使振动降至很低，噪声较小[7]。

因为磁悬浮轴承价格昂贵，控制系统复杂，长期以来没有在超高速主轴单元上大面积推广，但现已有成熟的产品供应，具有很大的发展前景。在国外，汽车工业生产线和高速机床上采用磁悬浮主轴系统比较普遍，主轴转速一般为40 000～70 000 r/min。在超精加工机床上，其性能指标达到：旋转精度0.03～0.05 μm，承载力300 kN，径向静刚度600 N/μm，轴向静刚度2 000 N/μm，动刚度100 N/μm，可靠性MTBF≥4 000 h。在磨加工机床上，磨削轿车某零件时，磁悬浮轴承主轴转速可达到60 000 r/min，可以缓进给强力磨削方式直接加工宽为1 mm的淬火钢材窄缝，省略了淬火前粗铣工序。采用直径50 mm的CBN砂轮可实现线速度为160 m/s的超高速磨削[14]。

2.1 磁悬浮轴承系统结构的发展现状

为了降低费用，增加设计的灵活性，人们对磁悬浮轴承系统结构进行了多方面研究。如自传感器结构、永磁与电磁结构相结合、无轴承电动机及超导磁轴承等新型结构。在这些结构中，无轴承电动机结构的发展前景比较好。因为普通的磁悬浮轴承轴向占据体积较大，导致电动机的轴向长度较长，同时临界转速下降，加上磁悬浮轴承本身结构及控制比较复杂，体积较大，成本较高，限制了电动机向更高转速的发展，而无轴承电动机能够很好地解决普通磁悬浮轴承的上述问题。现在研究的无轴承电动机有永磁体表面叠装式无轴承永磁同步电动机、永磁体内嵌式无轴承永磁电动机、无轴承永磁同步电动机。与磁轴承电动机相比，无轴承电动机具有体积小、能耗少、转速更高等优点，但缺点是电磁转矩和径向力之间存在耦合，磁饱和温度变化等因素会引起电动机参数的变化，需要建立更加合理的解耦控制方案[13]。

2.2 磁悬浮轴承需要解决的问题[13]

(1)造价高；(2) 系统的动态性能和系统可靠性有待进一步提高；(3)刚度和承载能力对于大规模应用还有一定难度，磁悬浮轴承刚度的大小取决于系统结构和组成，因此，要提高磁悬浮轴承的刚度就必须对系统结构进行更进一步的优化。

3 主轴用空气轴承[13]

高速内圆磨床主轴轴承一般采用空气轴承。空气轴承采用空气冷却和气膜支承，运转平滑，由于气体的黏度小，能够在摩擦损耗不大、润滑剂和支承的温升不高的情况下实现高速旋转，特别适合做高速回转副的支承元件。空气轴承具有精度高、结构紧凑、摩擦功耗低等优点，但由于受到能承受的切削载荷及过载能力较小的限制，其功率一般不是很大。

3.1 空气轴承结构

空气轴承在结构设计上，近年相继出现了表面节流、浅腔二次节流、多孔质节流及浮环轴承等新类型。其中，气体浮环轴承是一种较理想的高速轴承，这种浮环型轴承，当轴承高速旋转时，由于润滑气体的粘滞作用，使环也随之以一定速度旋转，即形成内外气膜的双膜轴承；也可以环不旋转，在外部供气作用下悬浮在轴承与轴之间，同样也形成一种双膜轴承。这种双膜轴承的优点是：功耗低；高速稳定性好。

3.2 空气轴承需要解决的问题

(1)普遍存在刚度不高、散热性不好的问题；(2)刚度及承载力特别是抗过载能力不强；(3)工作可靠性、制造工艺性、实用性、普及性等有待进一步的研究；(4)标准化、结构系列化和设计计算方法不够规范。

3.3 气磁混合轴承

空气轴承与磁悬浮轴承相比，具有相当高的工作精度，结构简单、制造容易和便于推广应用的优点；而磁轴承具有较高承载能力，便于控制和具有更高工作精度的性能。目前已有专家开发出一种综合这2种性能的气磁混合轴承，这种轴承的主要特点是同时具备较高的承载能力和很高的工作精度，而这种特性很适合于超高速、超高精度加工，有十分广阔的应用前景[13]。

4 主轴用动静压轴承

动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承，其避免了静压轴承高速下发热严重和供油系统庞大复杂，克服了动压轴承启动和停止时可能发生干摩擦的弱点，有很好的高速性能，而且调速范围宽。其结构紧凑，动、静态刚度较高，价格也较高，使用维护较为复杂，标准化程度低，在超高速主轴单元中应用较少。

5 结束语

主轴轴承技术是高速机床主轴的关键技术，使用不同类型的轴承，主轴将具有不同的工作特性。滚动轴承电主轴结构简单、刚度好、标准化高，但其转速一般在1×105r/min以下，主要适用于一般的高速加工。通过对其内部结构以及润滑进行优化设计、材料的研究选用，使得其对热载荷不敏感，提高抗卡死的性能，从而拓展其速度的极限。磁悬浮轴承电主轴适用超高速、大功率的应用场合，但其结构较大且复杂，控制难度高。传统的空气轴承电主轴的精度比较高，但其承载能力小，适合于小型零件的精密加工。正在研制的气磁混合轴承，综合了空气轴承和磁悬浮轴承的优点，将能很好地适应超高速精密加工。目前，向更高转速极限挑战的主轴轴承研发工作还在持续地进行中。