东莞市西力轴承有限公司

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SKF 6007-2RS1/C3(旭) 

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SKF 61910-2RS1 

SKF 61960

319A

SKF YET207 

SKF 6004-2RZTN9/C3/VT162 

BC2B 320055 A 

NU2313-E-TVP2

INA RFE60 

IKO RNAF354517

KRW 81160M 

UCP202-10

NSK 6203+ZZCM NS7SX轴承

INA PSHE35N 

SA030AR0

HS71919-C-T-P4S-UL

SKF KMFE6 

(英国RHP) LRJ1-1/8 

STY NU324ECP/C3 

FAG NU213E.TVP2.C3 

CRBS1108AUU

NN3028K/W33/P4

(INA) NKIS70 

316739

B1

UCF309-26

LP204

UCHA314-44

INA RNA4905-2RSR-XL 

CUCT307CE

NKE L17 

IKO GS2542 

SKF W6001-2RS1 

62/22-2RZ

16009

SKF 361200R 

NUP230E.M1

234438M.SP

RNU228M

NSK 22211EAE4 *H*轴承

6307-2Z/C3

BT4B 331747 E/C775  

160309KZ2

804182轴承

ZKLN3072-2Z/P5

KWVE20-L-G3-V2 

RHP 7304BETN

NJ2218W

7000116

NTN HMK2518LL

IJK 6801-2RS

6208-2RZ/C2

618/7/P4

7207B

6901-2NKE

95BNR19STYNDTDMP4Y

NTN RNA0-16X24X13轴承

SKF 32005X/Q 

51217 

THK CF5A 

UKT210

UEL206

SKF H320 

CF4WBUUR

7322B/P4

K30X35X17

GAR25-UK

7205CYDB/GHP5

SKF 6319-2Z/C3 

WTW 16002-ZZ 

德国SLF NUP205E.TVP2 

美国ROLLWAY 6001 

MTR BNF30=PHS30A 

61901-RZ

BT2B 328580/HA1

LRT505822

22214C/W33

2207AKTN

YHK UCF213-65

NN3034K/W33/P4

SKF SILK

图1 高速主轴单元结构简图

本试验采用热电偶测温法测量主轴前端轴承外圈的温升。又利用PDB测量高速电主轴前、后端的振动频谱。分析两种轴承对电主轴运转精度的影响。 

试验测试结果分析 

1) 主轴轴承的温升 

根据两种高速电主轴的实验数据绘制的温升特性曲线可见，A型主轴转速低于15000r/min时，两种轴承的温升基本相同。当转速高于15000r/min时，陶瓷球轴承的温升明显低于钢轴承。钢轴承温升增长率比陶瓷球轴承的快。 

A型主轴转速由2000r/min上升至极限转速30000r/min时，钢轴承温度由4℃上升至35℃；主轴转速由35000r/min上升至40000r/min时，陶瓷球轴承温度由35℃上升至43℃，为防止温度过高损坏陶瓷球轴承，停止继续升高转速。在相同温升水平上，即温升为35℃时，装有陶瓷球轴承的电主轴转速比钢轴承电主轴提高约17%。 

B型主轴轴承温升的总体变化趋势与A型电主轴相似。但主轴转速较低时，陶瓷球轴承的温升略高于钢轴承，温升增长率比钢轴承小。当转速n>17000r/min时，才能显示出陶瓷球轴承的低温升特性。脂润滑条件下陶瓷球轴承的运转速度和油雾润滑时钢轴承的运行速度相当。实验中发现，B型陶瓷球轴承达到热平衡时的温升和所需时间，与A型钢球轴承达到热平衡时的温升和所需时间相近。 

由上述可知，不论用油雾润滑还是脂润滑，在高速或润滑不足时，陶瓷球轴承的温升都小于钢轴承。分析认为：(1)HIPSN的密度仅为轴承钢的40%。由于陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩小，使陶瓷球轴承发热量少。(2)陶瓷和钢组成的摩擦副的摩擦系数比钢和钢组成的摩擦副的摩擦系数小，产生的热量少，温升也低。(3)轴承在装配时需要预紧，预紧力越大，变形和发热越多，轴承温升也越快。轴承高速运转下，轴承承受的总负荷包括初期预紧力和轴承内部负荷。内部负荷由离心力和热膨胀差引起。在轴承中轴承外圈散热较好，内圈次之，滚动体的散热条件最差，内圈和滚动体由于温升而引起的热膨胀量大于外圈的热膨胀量，轴承工作时的预紧力大于装配时的原始预紧力，从而使摩擦发热增加，轴承温升增大。由于HIPSN陶瓷材料的热膨胀系数仅为轴承钢的25%，故当转速提高时，陶瓷球轴承的温升值比钢轴承小得多。资料表明，陶瓷球轴承的内圈材料采用热膨胀系数比轴承钢小20%的不锈钢、渗碳钢等材料，可以有效降低轴承的温升。 

从上述试验结果和分析可知，陶瓷球轴承比钢轴承更适用于高速运转条件。 

主轴振动频谱分析 

使用高灵敏度的压电晶体传感器，运用离散傅立叶原理进行信号变换计算，利用PDB测得的A型电主轴振动频谱可见，电主轴前端振动加速度波动较大，导致电主轴的运转精度降低、刚度下降。装有陶瓷球轴承的电主轴前端振动加速度变化极小，主轴运转的动态精度高。对比两种类型电主轴表明，使用陶瓷球轴承，可以有效地减小电主轴的振动，提高电主轴的运转精度和刚度。 

存在的问题与对策 

试验中发现，装有陶瓷球轴承的两种类型的电主轴，在转速较低时，都存在着运转初期(低速时)刚度差、精度低的问题。 

分析认为，主要由轴承间隙和工作预紧力的变化影响所致。低速时，预紧力大，轴承间隙小，刚度高；高速时，轴承内部因高速运转产生较大负荷，两者叠加，使轴承高速时实际预紧力远超过初期预紧力，导致轴承温升高，使用寿命低，易出现早期烧结损伤。因此，为延长轴承寿命，要求陶瓷球轴承的初期预紧力要小一些。但初期预紧力过小，主轴启动时，陶瓷球轴承间隙大，运转时变形大、刚度差。使电主轴振动加大，严重影响电主轴的加工精度。 

解决方法是研究开发轴承预紧力可变换机构。低速时，陶瓷球轴承预紧力大，随着转速的提高，轴承预紧力逐渐变小，使陶瓷球轴承始终处于良好的运动状态。主要的措施有两种：(1)实施定位置预紧力变换。(2)重视运转精度，低速时，实施定位置预紧；高速时，采用预紧力可变换机构。 

3 结论 

实验表明，将陶瓷球轴承应用于高速主轴单元的设计和制造，可以有效提升主轴的极限转速，减小高速主轴的振动，提高主轴的运转精度和刚度；可以延长电主轴的使用寿命，简化与之配套的润滑系统。并要解决低速运转条件下，陶瓷球轴承刚度差、精度低的问题。1 高速主轴轴承发展情况 

为了适应机床主轴的高速要求，一般多使用刚性和高速性能优良的角接触球轴承，其次使用圆柱滚子轴承(见表1)。 

与此同时逐步开发出与之相适应的润滑系统。从表述主轴轴承高速性能的dmN值(dm为轴承节圆直径mm，N为转速r/min)来看，脂润滑条件下dmN值在50×104 以下。开发出油气润滑后，dmN值已达到100×104以上。此后在轴承方面又开发出了滚动体为陶瓷的角接触球轴承，实现了dmN值为200×104。到90年代开发出喷射润滑后，dmN值可达到300×104。

表1 主轴用滚动轴承特性比较 

- 圆锥滚子轴承 单列圆柱滚子轴承 双列圆柱滚子轴承 角接触球轴承 成对或成组安装角接触球轴承

承载能力 径向 □ □ ○ △ □

轴向 □← ? ? △← △→

联合 ○ ? ? □ □

高速性能 ▽ □ △ ○ □

高精度 △ □ □ ○ ○

低噪声

低力矩 ▽ □ △ ○ □

刚性 ○ □ ○ △ □

备注 2套对置使用 N(NN)型和NU(NNU)型 接触角为C(15℃)，AC(25℃)，60℃，2套或2套以上组合使用

○□△▽ ? ← ?

优?劣 不可 单向 双向

表2 陶瓷材料(Si3N4)与轴承钢(Gcr15)性能比较 

项目 GCr15 Si3N4 比

耐热性(℃) 180 800 4.44

密度(g/cm3) 7.8 3.2 0.41

线膨胀系数(1/℃) 12.5×10-6 3.2×10-6 0.26

弹性模量(MPa) 20.8×104 31.4×104 1.52

维氏硬度(HV) 700～800 1300～1800 -

泊松比 0.3 0.26 0.87

热导率[W/(m·K)] 4.9～50.2 29.3 —

耐蚀性 不良 良 —

磁性 强磁 非磁 —

导电性 导电 绝缘 —

2 高速主轴轴承技术 

1) 高速角接触球轴承 

从表1可以看出圆锥滚子轴承，单列、双列圆柱滚子轴承在高速性能方面均劣于角接触球轴承。角接触轴承是具有接触角的轴承，接触角越大轴向刚度越好，但因为球与滚道之间的陀螺滑动和自旋滑动也大，因此发热也会增加。为了提高速度性能，方法是减小球的大小(或质量)，改变沟道的曲率系数，以减小球的离心力，降低高速运转时产生的内部载荷，同时增加球的数量以提高刚性。 

2) 陶瓷球角接触球轴承 

为了减少球质量以提高速度，推出了仅滚动体系用氮化硅(Si3N4)陶瓷的混合型陶瓷球轴承，其性能比较见表2。 

作为高速主轴轴承材料，陶瓷(Si3N4)有以下优点： 

·重量轻。由于密度比轴承钢小，高速旋转时滚动体产生的离心力小，旋转力矩可以减小，因此可以降低温升，提高寿命。 

·良好的导热性使陶瓷材料的滚动体在高速运转时不易与金属产生粘着。在润滑条件较好的情况下耐***。 

·热膨胀小。滚动体与内圈接触时不易发生预紧力增加而导致游隙减小，出现***。 

·由于硬度高、刚性好，轴承的变形小，主轴的刚性也得到提高。 

因此，综上所述，采用陶瓷材料(Si3N4)作为滚动体，与轴承钢滚动体相比速度可提高约25%～35%，寿命可提高约3倍。 

3) 新型混合角接触球轴承 

在高速旋转时，内圈由于离心力而产生膨胀，与滚动体接触应力变大，使内部预载荷增加、游隙变小、发热增加。针对此问题，最近开发出内圈为不锈钢的新型混合陶瓷球轴承。由于不锈钢的线膨胀系数比轴承钢小20%，因而能进一步控制轴承在高速旋转时因内圈膨胀而造成的预载荷增加。在润滑条件充分，固定预载荷下dmN值可提高1.2倍。 

4) 内圈为陶瓷的混合角接触球轴承 

近来有资料介绍，在定位预载紧的情况下，内圈也使用陶瓷材料的混合型角接触球轴承。因为内圈也使用陶瓷材料，轴承内径或滚道离心膨胀小，预紧的增加也较小，加之刚性好，球和滚道的接触面积小，所以发热和膨胀也较小，可以比仅球为陶瓷的轴承达到更高转速。但是，正是由于高速旋转时离心和膨胀小，它与金属制主轴之间的配合应力如果过大就可能产生破坏甚至碎裂。 

3 高速化主轴轴承的润滑 

主轴轴承的高速化发展趋势对润滑提出了更高的要求。传统dmN值在50×104以下的脂润滑，由于使用简单、经济而得到广泛应用，而且无需特别维护，也无需后续补充，大多数为终身润滑。随转速提高，dmN值达100×104以上时采用油气和油雾润滑，与脂润滑相比，温度上升小，能够以更高速度旋转，因而成为主要的润滑方法。而喷射润滑虽然dmN值可达到250×104，但需要大量润滑油，因搅拌阻力使动力损失较大，而且需要较复杂的附属设备，成本较高，所以一般不使用这种润滑方式。 

从***8届东京(1996年)和***9届大阪(1998年)国际机床博览会展出的机床看，采用陶瓷滚动体、油气和油雾润滑方式大功率电主轴的数控机床和加工中心已占整个参展机床的85%左右。 

CSA218

619/9-2Z/Z1

RB210

STY HJ417 

UCPA210-31

U5312B

STY NUP2236E.M2 

NJ256M

619/5-Z

MA 

SKF 61980MA 

SKF 61980MA 

SKF 6200-2RSH 

SKF 6201-2Z/C2ELHT23 

SKF 6202/C3 

SKF 6202-2RSH 

SKF 6202-2RSH 

SKF 6202TN9/C3 

SKF 6202-Z