数控机床独特的主轴结构单元分析

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高速主轴单元设计中主轴轴承类型的选择与设计也是非常关键的。主轴轴承不但要有高的刚度和大的承载能力，而且要有较长的使用寿命。到目前为止，有4种轴承可选做高速主轴轴承，即滚珠轴承、空气静压轴承、液体动静压轴承和磁悬浮轴承。

     滚珠轴承在高速旋转时滚珠会产生很大的离心力和陀螺力矩，此时的离心力远大于切削时作用给滚珠的力，故此时轴承设计的主要参数不再是工作载荷了，而应是转速。一般用转速特征值k来表示，即k=ndm（ n—转速，dm—轴承的平均直径）。为此双强主轴单元表示必须采取以下措施解决离心力的问题：

     ①尽量减小滚珠直径；

     ②采用密度小的热压烧结Si3N4陶瓷材料制作滚珠。

     Si3N4陶瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、弹性模量大（300GPa，约是轴承钢的1.5倍）、硬度高（1800HV）、热胀系数小、耐高温、不导电、不导磁、导热系数小等一系列优良性能。用热压Si3N4陶瓷材料制作的轴承具有转速高、精度高、刚度高、温升小（比轴承钢轴承减少35%-60%）、寿命长等优点。价格虽比同规格同精度等级的钢质轴承高2-2.5 倍，但使用寿命长3-6倍，故热压Si3N4陶瓷制作的轴承是高速机床广为采用的较为经济适用的高速轴承。目前主要用热压Si3N4陶瓷制作滚珠，滚道仍然用轴承钢，这种轴承被称为陶瓷混合轴承，滚道也可作表面改性处理，以提高其耐磨性能。

    空气静压轴承用于高精度、高转速、轻载荷的场合。使用空气轴承的主轴单元，主轴转速可达150000r/min 以上，但输出的扭矩和功率很小，主要用于零件的光整加工。

    双强主轴单元表示液体动静压轴承目前主要用于重载大功率场合。这种轴承是采用液体的动力和静力相结合的方法，使主轴在油膜中支撑旋转。优点是径向和轴向跳动小、刚度高、阻尼特性好、寿命长，粗精加工均适用。

    磁悬浮轴承是用磁力将主轴无接触地悬浮起来的新型智能化轴承。它的高速性能好、无接触、无摩擦、无磨损、高精度，不需润滑和密封，还能实现实时诊断和在线监控。故被美、法、瑞士、日本、中国等很多国家作为研究对象，是超高速主轴合适而且理想的主轴轴承，但价格昂贵，还有些技术问题尚未完全解决，因而限制了它的推广使用。