唐偉¹　侯曉冬²

（1.遼寧省高速公路管理局鞍山管理處；2.沈陽賽特維工業裝備有限公司）

　　摘　要：主軸軸承的性能直接影響到電主軸的性能，因此機床的加工精度和效率等重要性能很大程度上取決于主軸軸承，提高機床的生產效率和加工精度對主軸軸承的速度、精度和動力學性能提出更高的要求。
　　關鍵詞：主軸軸承；預緊方式；預緊力
　　1　引言
　　高速機床多采用電動機與主軸融合在一起的電主軸，是一種直接依賴于高速軸承、電動機、精密數控與精密制造等技術的高度機電一體化的功能單元，由于省去了中間的傳動環節，其轉速一般可達每分鐘幾萬甚至十幾萬轉。主軸內部的支承核心一主軸軸承，承受較大的軸向和徑向載荷，需具有較高的回轉精度和較低的溫升，盡可能高的軸向和徑向剛度，較長的保持精度的使用壽命。軸承方面主要包括：軸承及其支承的剛度、軸承的安裝與預緊、軸承溫升和熱變形、軸承噪聲與振動和軸承疲勞壽命等方面的研究。其中，動力學和運動學分析是軸承研究的基礎，目前已經有了相對完善的軸承研究理論，但是在精度及實際應用方面還存在許多問題。

　　滾動軸承理論分析方法不但能夠彌補傳統設計理念的不足，而且能夠從本質上揭示軸承設計方案中存在的問題。隨著滾動軸承理論分析方法的不斷完善，可以逐漸的降低新軸承產品的研發周期和費用。對于高速精密角接觸球軸承組合，尺寸偏差、溝曲率半徑系數及轉速等對軸承組合的載荷分配具有顯著的影響，從而會相應的影響軸承的使用性能。
　　2　滾動軸承基本理論的發展現狀
　　20世紀末以來，隨著工業水平的迅猛發展，軸承需求也越來越大，相應的對于軸承的承載能力及壽命等的理論分析也獲得了空前的發展。目前常用的滾動軸承分析模型主要有靜力學模型、擬靜力學模型、擬動力學模型和動力學模型。
　　靜力學模型研究滾動軸承在外載荷和位移約束的條件下的靜力平衡問題，只考慮滾動體與內外滾道的法向接觸力，而忽略保持架、密封圈及離心力和陀螺力矩等對軸承靜力平衡的影響，并且假設滾動體與滾道之間為純滾動接觸且內外接觸角始終相等。靜力學模型的分析主要是受力平衡方程和變形幾何相容方程聯合求解，通常用數值方法求解這些較為復雜的非線性方程。
　　擬靜力學模型研究軸承在外載荷、離心力、陀螺力矩、位移約束和速度邊界條件下滾動軸承的穩態運動學及力學問題，不考慮滾道和滾動體之間的彈性流體動力潤滑拖動力對滾動體力學平衡的影響及保持架對滾動體之間的碰撞問題。
　　擬動力學模型根據實際的需要，對滾動體、保持架、套圈等軸承組件的自由度和運動規律進行簡化，采用彈性流體動力潤滑理論計算滾動體與滾道的相互作用力，或者進一步采用流體動力潤滑理論對保持架與滾動體、保持架與引導套圈相互作用力進行計算，能夠對法向接觸力和切向流體拖動力作用下的各種穩態動力學特性進行分析。
　　全動力學模型利用接觸力學、流體動力潤滑理論、彈流潤滑理論等手段建立滾動體與滾道、滾動體與保持架等組件之間的法向接觸力和切向拖動力模型，是Z為完善的理論分析模型，同時分析計算所花費的時間也Z長。
　　3　主軸軸承預緊特性研究現狀
　　主軸軸承是實現機床主軸高速化的關鍵部件，角接觸球軸承由于具有適應高速且可同時承受軸向和徑向載荷的優點，在高速機床主軸中廣泛采用。預緊對于提高軸承的使用性能具有重要的意義：使得旋轉軸在軸向和徑向正確定位，提高軸的旋轉精度：增加軸承的剛度，減少軸承的振動和噪聲。尤其是對于高速軸承，處于高速輕載狀態，合適的預緊力可以防止軸承旋轉時滾動體發生公轉打滑和陀螺旋轉，減小鋼球的自旋滑動，從而減小軸承內部的摩擦和發熱，延長軸承的使用壽命。
　　3.1主軸軸承預緊方式的選取
　　軸承的預緊方式有兩種：軸向預緊和徑向預緊。對于球軸承通常只采用軸向預緊，球軸承的軸向預緊方式主要分為定壓預緊和定位預緊。定壓預緊在軸承的工作過程中預緊力的大小不變，一般用于高速工況下，定位預緊的軸承在工作過程中軸承的相對位置不變，一般用于低速工況下。定壓預緊的剛度較小，從而會相應的影響機床的精度，而定位預緊雖然剛度較大，但是隨著主軸轉速的增加，產熱量增大，會相應的產生較大的熱變形，從而會使軸承的工作條件惡化，影響軸承的壽命。因此，定壓預緊和定位預緊，各有利弊，而綜合兩者的優點，可變預緊更適用于現在大轉速范圍的機床，所以對于軸承的預緊方式和預緊量的研究也層層不斷。
　　為了實現可變預緊，一方面上采用了在一臺數控機床上安放雙主軸，其中一根主軸為低速大扭矩型，面另一根主軸為高速大功率型，并根據加工需要來自動更換，但是這類機床不僅結構復雜，而且生產效率也隨之下降。另一方面，有學者提出預緊力可控的思想——預緊力控制系統，即用應力傳感器，測出軸承工作狀態下的預緊力，通過信號處理，由壓電作動器產生位移來控制預緊力，但是研究表明預緊力補償不能滿足大范圍的需要幾千伏的高壓絕緣困難而難以實現大位移，且制造成本很高；或用液性塑料為介質，設計一類精密機床主軸軸承預緊力調節的作動器。應當看到預緊力可控是很有技術發展前途的新方向。
　　可變預緊是當前高速軸承的主要預緊方式，其中的軸承組合，尤其是串聯安裝的軸承，對于安裝精度的要求很高，因此在安裝時對安裝面要進行研磨以保證精度，但是加工總會存在誤差。
　　3.2主軸軸承預緊力的確定
　　當前對于軸承預緊力的確定，主要考慮剛度和溫升的要求，既要滿足剛度的要求又不能產生過多的熱量導致軸承的工作溫度過高，因此許多學者已經對軸承剛度和溫度場進行了大量的分析。
　　目前對于軸承的力學分析采用Z多的還是擬靜力學分析，此種方法的精度能基本滿足要求，并且數值求解方法也比擬動力學方法簡單，但是擬靜力學方法不能充分的考慮潤滑及滾動體與內外圈接觸的切向摩擦，因此用擬靜力學方法求解的結果計算剛度可基本滿足要求，但是計算摩擦發熱的結果偏差較大。
　　4　主軸及軸承熱分析研究現狀
　　主軸系統熱源分外部熱源和內部熱源兩種。外部熱源主要指周圍環境通過空氣的對流以及環境熱源，如陽光、照明燈具、加熱器等通過輻射傳到主軸系統的熱量。在實際生產中，外部條件相對穩定，但在長時間連續加工時，如晝夜連續加工，由于溫差較大，引起主軸系統的熱變形也是不容忽視的。內部熱源對于普通的數控機床主要是以切削熱和軸承摩擦產生的熱量為主。近年來，隨著電主軸技術的不斷發展，越來越多的新型數控機床采用高速電主軸系統，相對于舊式齒輪或帶傳動等結構，其有著無可比擬的優勢，但同時也產生另一個主軸系統的熱源一電動機發熱。內部熱源對主軸系統的影響，對于數控機床影響主軸系統的主要熱源為主軸軸承摩擦產生的熱量。
　　在軸承的工作過程中，尤其是在定位預緊的條件下，隨著主軸轉速的增大，軸承的發熱量會急劇增大，使得軸承的溫度明顯升高并會引起熱變形，從而影響軸承的正常工作，因此對于軸承的熱分析，并進一步優化軸承的工作條件對于高速精密軸承有著十分重要的意義。
　　目前對于軸承發熱量的計算主要還是依靠實驗和經驗公式，而軸承的發熱主要是滾動體和內外圈的摩擦產熱，因此軸承中摩擦力矩的研究對于更精確的計算軸承的產熱量有十分重要的意義。由于軸承的運動關系比較復雜，所以精確的描述摩擦力矩的大小比較困難，目前已經有很多學者給出了摩擦力矩的理論計算方法或實驗方法。
　　球軸承摩擦力矩是指各種摩擦因素對球軸承旋轉構成的阻力矩，不僅涉及軸承結構、尺寸、幾何精度、材料及熱處理性能等參數，還與工作載荷、裝配精度、潤滑條件及環境等參數有關，各種因素相互作用，相互干擾，分析過程復雜。
　　結論
　　目前球軸承摩擦力矩理論公式的推導都是建立在擬靜力學分析基礎之上的，此分析方法對于高速球軸承摩擦力矩的分析計算誤差較大。為較全面地分析軸承工作時的運動和受力情況，需要建立軸承零件的運動微分方程，對軸承進行動力學分析，這種分析方法不僅可以提供穩態軸承運轉時更真實的摩擦力矩解，而且可以有效地分析保持架和鋼球不穩定性對軸承摩擦力矩的影響，可以作為以后研究的一個方向。
　　參考文獻
　　[1]楊立方，葉軍.高速加工中的機床主軸軸承技術[J].軸承，2012（1）：54.59
　　[2]盧剛.淺談滾動軸承設計制造技術及發展[J].機械研究與應用，2007，1：1.2

來源：《科學與財富》2015年第6月