唐伟¹　侯晓冬²

（1.辽宁省高速公路管理局鞍山管理处；2.沈阳赛特维工业装备有限公司）

　　摘　要：主轴轴承的性能直接影响到电主轴的性能，因此机床的加工精度和效率等重要性能很大程度上取决于主轴轴承，提高机床的生产效率和加工精度对主轴轴承的速度、精度和动力学性能提出更高的要求。
　　关键词：主轴轴承；预紧方式；预紧力
　　1　引言
　　高速机床多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，由于省去了中间的传动环节，其转速一般可达每分钟几万甚至十几万转。主轴内部的支承核心一主轴轴承，承受较大的轴向和径向载荷，需具有较高的回转精度和较低的温升，尽可能高的轴向和径向刚度，较长的保持精度的使用寿命。轴承方面主要包括：轴承及其支承的刚度、轴承的安装与预紧、轴承温升和热变形、轴承噪声与振动和轴承疲劳寿命等方面的研究。其中，动力学和运动学分析是轴承研究的基础，目前已经有了相对完善的轴承研究理论，但是在精度及实际应用方面还存在许多问题。

　　滚动轴承理论分析方法不但能够弥补传统设计理念的不足，而且能够从本质上揭示轴承设计方案中存在的问题。随着滚动轴承理论分析方法的不断完善，可以逐渐的降低新轴承产品的研发周期和费用。对于高速精密角接触球轴承组合，尺寸偏差、沟曲率半径系数及转速等对轴承组合的载荷分配具有显著的影响，从而会相应的影响轴承的使用性能。
　　2　滚动轴承基本理论的发展现状
　　20世纪末以来，随着工业水平的迅猛发展，轴承需求也越来越大，相应的对于轴承的承载能力及寿命等的理论分析也获得了空前的发展。目前常用的滚动轴承分析模型主要有静力学模型、拟静力学模型、拟动力学模型和动力学模型。
　　静力学模型研究滚动轴承在外载荷和位移约束的条件下的静力平衡问题，只考虑滚动体与内外滚道的法向接触力，而忽略保持架、密封圈及离心力和陀螺力矩等对轴承静力平衡的影响，并且假设滚动体与滚道之间为纯滚动接触且内外接触角始终相等。静力学模型的分析主要是受力平衡方程和变形几何相容方程联合求解，通常用数值方法求解这些较为复杂的非线性方程。
　　拟静力学模型研究轴承在外载荷、离心力、陀螺力矩、位移约束和速度边界条件下滚动轴承的稳态运动学及力学问题，不考虑滚道和滚动体之间的弹性流体动力润滑拖动力对滚动体力学平衡的影响及保持架对滚动体之间的碰撞问题。
　　拟动力学模型根据实际的需要，对滚动体、保持架、套圈等轴承组件的自由度和运动规律进行简化，采用弹性流体动力润滑理论计算滚动体与滚道的相互作用力，或者进一步采用流体动力润滑理论对保持架与滚动体、保持架与引导套圈相互作用力进行计算，能够对法向接触力和切向流体拖动力作用下的各种稳态动力学特性进行分析。
　　全动力学模型利用接触力学、流体动力润滑理论、弹流润滑理论等手段建立滚动体与滚道、滚动体与保持架等组件之间的法向接触力和切向拖动力模型，是Z为完善的理论分析模型，同时分析计算所花费的时间也Z长。
　　3　主轴轴承预紧特性研究现状
　　主轴轴承是实现机床主轴高速化的关键部件，角接触球轴承由于具有适应高速且可同时承受轴向和径向载荷的优点，在高速机床主轴中广泛采用。预紧对于提高轴承的使用性能具有重要的意义：使得旋转轴在轴向和径向正确定位，提高轴的旋转精度：增加轴承的刚度，减少轴承的振动和噪声。尤其是对于高速轴承，处于高速轻载状态，合适的预紧力可以防止轴承旋转时滚动体发生公转打滑和陀螺旋转，减小钢球的自旋滑动，从而减小轴承内部的摩擦和发热，延长轴承的使用寿命。
　　3.1主轴轴承预紧方式的选取
　　轴承的预紧方式有两种：轴向预紧和径向预紧。对于球轴承通常只采用轴向预紧，球轴承的轴向预紧方式主要分为定压预紧和定位预紧。定压预紧在轴承的工作过程中预紧力的大小不变，一般用于高速工况下，定位预紧的轴承在工作过程中轴承的相对位置不变，一般用于低速工况下。定压预紧的刚度较小，从而会相应的影响机床的精度，而定位预紧虽然刚度较大，但是随着主轴转速的增加，产热量增大，会相应的产生较大的热变形，从而会使轴承的工作条件恶化，影响轴承的寿命。因此，定压预紧和定位预紧，各有利弊，而综合两者的优点，可变预紧更适用于现在大转速范围的机床，所以对于轴承的预紧方式和预紧量的研究也层层不断。
　　为了实现可变预紧，一方面上采用了在一台数控机床上安放双主轴，其中一根主轴为低速大扭矩型，面另一根主轴为高速大功率型，并根据加工需要来自动更换，但是这类机床不仅结构复杂，而且生产效率也随之下降。另一方面，有学者提出预紧力可控的思想——预紧力控制系统，即用应力传感器，测出轴承工作状态下的预紧力，通过信号处理，由压电作动器产生位移来控制预紧力，但是研究表明预紧力补偿不能满足大范围的需要几千伏的高压绝缘困难而难以实现大位移，且制造成本很高；或用液性塑料为介质，设计一类精密机床主轴轴承预紧力调节的作动器。应当看到预紧力可控是很有技术发展前途的新方向。
　　可变预紧是当前高速轴承的主要预紧方式，其中的轴承组合，尤其是串联安装的轴承，对于安装精度的要求很高，因此在安装时对安装面要进行研磨以保证精度，但是加工总会存在误差。
　　3.2主轴轴承预紧力的确定
　　当前对于轴承预紧力的确定，主要考虑刚度和温升的要求，既要满足刚度的要求又不能产生过多的热量导致轴承的工作温度过高，因此许多学者已经对轴承刚度和温度场进行了大量的分析。
　　目前对于轴承的力学分析采用Z多的还是拟静力学分析，此种方法的精度能基本满足要求，并且数值求解方法也比拟动力学方法简单，但是拟静力学方法不能充分的考虑润滑及滚动体与内外圈接触的切向摩擦，因此用拟静力学方法求解的结果计算刚度可基本满足要求，但是计算摩擦发热的结果偏差较大。
　　4　主轴及轴承热分析研究现状
　　主轴系统热源分外部热源和内部热源两种。外部热源主要指周围环境通过空气的对流以及环境热源，如阳光、照明灯具、加热器等通过辐射传到主轴系统的热量。在实际生产中，外部条件相对稳定，但在长时间连续加工时，如昼夜连续加工，由于温差较大，引起主轴系统的热变形也是不容忽视的。内部热源对于普通的数控机床主要是以切削热和轴承摩擦产生的热量为主。近年来，随着电主轴技术的不断发展，越来越多的新型数控机床采用高速电主轴系统，相对于旧式齿轮或带传动等结构，其有着无可比拟的优势，但同时也产生另一个主轴系统的热源一电动机发热。内部热源对主轴系统的影响，对于数控机床影响主轴系统的主要热源为主轴轴承摩擦产生的热量。
　　在轴承的工作过程中，尤其是在定位预紧的条件下，随着主轴转速的增大，轴承的发热量会急剧增大，使得轴承的温度明显升高并会引起热变形，从而影响轴承的正常工作，因此对于轴承的热分析，并进一步优化轴承的工作条件对于高速精密轴承有着十分重要的意义。
　　目前对于轴承发热量的计算主要还是依靠实验和经验公式，而轴承的发热主要是滚动体和内外圈的摩擦产热，因此轴承中摩擦力矩的研究对于更精确的计算轴承的产热量有十分重要的意义。由于轴承的运动关系比较复杂，所以精确的描述摩擦力矩的大小比较困难，目前已经有很多学者给出了摩擦力矩的理论计算方法或实验方法。
　　球轴承摩擦力矩是指各种摩擦因素对球轴承旋转构成的阻力矩，不仅涉及轴承结构、尺寸、几何精度、材料及热处理性能等参数，还与工作载荷、装配精度、润滑条件及环境等参数有关，各种因素相互作用，相互干扰，分析过程复杂。
　　结论
　　目前球轴承摩擦力矩理论公式的推导都是建立在拟静力学分析基础之上的，此分析方法对于高速球轴承摩擦力矩的分析计算误差较大。为较全面地分析轴承工作时的运动和受力情况，需要建立轴承零件的运动微分方程，对轴承进行动力学分析，这种分析方法不仅可以提供稳态轴承运转时更真实的摩擦力矩解，而且可以有效地分析保持架和钢球不稳定性对轴承摩擦力矩的影响，可以作为以后研究的一个方向。
　　参考文献
　　[1]杨立方，叶军.高速加工中的机床主轴轴承技术[J].轴承，2012（1）：54.59
　　[2]卢刚.浅谈滚动轴承设计制造技术及发展[J].机械研究与应用，2007，1：1.2

来源：《科学与财富》2015年第6月