高速電機角接觸球軸承的應(yīng)用特點（下）

當今高速電主軸，幾乎都是內(nèi)置異步交流異步電機。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝比較成熟，便于安裝，特別是可使磁場衰減最大，且易于實現(xiàn)高速化。這種類型的主軸電機還在進一步改進，如日本三菱電機最近開發(fā)的高速高效的內(nèi)置感應(yīng)主軸電機，它可以降低電氣損耗，縮短定子長度。

目前，國外正在研究將交流永磁同步電機內(nèi)嵌于電主軸中的問題。永磁同步電機與異步異步電機相比，具有以下優(yōu)點：采用永磁材料制成的轉(zhuǎn)子，在工作時不會發(fā)熱，解決了目前異步電機內(nèi)置的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和難以充分冷卻的問題；功率密度大，工作效率高，可以以較小的尺寸獲得較大的功率和扭矩；低速性能好，易于實現(xiàn)精密控制等。但PMSM也有其自身的缺點，功率容量有限，磁強弱差，不利于實現(xiàn)高速運行。因此，迄今，只有個別機床公司有內(nèi)置永磁同步電機的電動主軸在展覽會上亮相，專業(yè)電動主軸制造企業(yè)尚無此產(chǎn)品銷售。很多人認為，對于在弱磁場下運轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速電主軸，采用異步異步電機驅(qū)動更合適。

PWM變頻調(diào)速技術(shù)是目前實現(xiàn)電主軸高速化的主要手段，它同時具有普通變頻調(diào)速器和矢量控制驅(qū)動兩大功能。前一種是恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，其輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比；后一種是恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動，其輸出功率與額定轉(zhuǎn)速低時的恒功率和高速時的恒功率成正比。電主軸的高速加工中心與數(shù)控銑床的加工中心，基本上都采用后者(即矢量驅(qū)動)。另一個特點是矢量控制驅(qū)動器具有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式，閉環(huán)形式的主軸上裝有高性能編碼器作為檢測元件，實現(xiàn)位置和速度的反饋，從而獲得較好的動態(tài)性能，同時還可實現(xiàn)立式切削主軸的定向準停和C軸功能。

高速主軸性能的好壞，在很大程度上取決于主軸軸承的潤滑。滾動式軸承剛度好，加工精度高，承載能力強，結(jié)構(gòu)相對簡單，是普通切削機床的首選主軸，也是高速切削機床的首選。就高速性而言，以角接觸球軸承為主，圓柱滾子軸承為輔，圓錐滾子軸承為輔；

角接點球軸承的球(也就是滾珠)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)都會產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。當馬達主軸轉(zhuǎn)速增大時，離心力和陀螺力矩都會急劇增大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而引起軸承摩擦加劇，溫度升高，精度降低，壽命縮短。所以要想提高這種軸承的高速性能，應(yīng)該想辦法抑制它的Fc和Mg的增長。由角接觸球軸承Fc和Mg的計算公式可知，減小球材料的密度、球的直徑和球的角度對減小Fc和Mg都有好處，因此現(xiàn)在高速主軸多采用小球徑軸承，其接觸角為15°或20°。但是，球徑不能減得太多，基本上只能達到標準系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更重要的是要對球徑材質(zhì)進行改進。

氮化硅(Si3N4)陶瓷的密度只有GCr15軸承鋼的41%，用氮化硅制造的球體輕得多，而且在高速旋轉(zhuǎn)時自然產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也小得多。同時，氮化硅陶瓷具有比軸承鋼高1.5倍、比軸承鋼高2.3倍的彈性模量和比軸承鋼高25%的熱膨脹系數(shù)，既能提高軸承的剛度和壽命，又能使軸承的配合間隙在不同的溫升條件下變化不大，工作可靠，再加上陶瓷耐熱性強，不會與金屬產(chǎn)生粘連，顯然用氮化硅陶瓷制作的球體更適合高速旋轉(zhuǎn)。實際應(yīng)用表明，陶瓷球角觸頭軸承相對于相應(yīng)的鋼球軸承，速度可提高25%~35%，但價格也有所提高。

外圈為鋼制、內(nèi)圈為陶瓷制，國外統(tǒng)稱為混合軸承。當前，混合軸承又有了新的發(fā)展：第一，陶瓷材料已經(jīng)被應(yīng)用于圓柱滾子軸承的滾子中，市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；第二，用不銹鋼制造的軸承內(nèi)圈取代軸承鋼制造的內(nèi)外圈，特別是內(nèi)圈，內(nèi)圈的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼低20%，因此在高速旋轉(zhuǎn)時，內(nèi)圈熱膨脹引起的接觸應(yīng)力增加的自然趨勢將被抑制。

油脂潤滑是最簡單、最環(huán)保的潤滑之一。因為油脂在超高速運轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)，所以它的dmh值很低，當軸承為鋼球時只有80×104，當軸承為陶瓷球時可達到110×104(FAG公司開發(fā)的新一代低溫軸承，它的dmh值還可以再提高10%左右)。目前，高速主軸軸承最常用的是油氣潤滑方式，即定時定量地向軸承供應(yīng)油—氣混合液，使軸承的各個部分得到最佳的微量潤滑，從而減少污染。鋼球或陶瓷球角接觸球軸承采用油氣潤滑時，其dmh值一般可分別達到140×104和210×104，若采用較為特殊的油氣潤滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的dmh值一般可達250×104或更高一點，屬于試驗室中特殊油氣潤滑方式，其dmh值可達280×104)。