２０１２年８月 机床与液压 Ａｕｇ．２０１２ 第４０卷第１６期 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ｖｏ１．４０ Ｎｏ．１６ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—３８８１．２０１２．１６．００７ 精密轴承在高速精密主轴设计中的应用 胡秋，赵鹏宁 （中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳６２１９００） 摘要：精密轴承是高速精密主轴设计中的关键零件之一。对高速精密轴承的选型与配置、高速精密轴承轴向限位方 式、高速精密主轴轴承的预紧方式及其实现、高速精密轴承的润滑等关键技术问题进行了论述。对各种高速精密主轴设计 具有参考价值。 关键词：高速精密主轴；精密轴承；选型与配置；预紧；支承结构；润滑技术 中图分类号：ＴＨ１３３．３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１００１—３８８１（２０１２）１６—０１８—２ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｂｅａｒｉｎｇ ｉｎ Ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｐｒｅｃｉｓｅ Ｓｐｉｎｄｌｅ ＨＵ Ｑｉｕ，ＺＨＡＯ Ｐｅｎｇｎｉｎｇ （Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｉｎａ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｍｉａｎｙａｎｇ Ｓｉｃｈｕａｎ ６２ １ ９００。Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔｓ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｐｉｎｄｌｅ．Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｅａｔｉｎｇ，ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｅａｒｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ－ ｌａ，ｔｈｅ ｐｒｅ—ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｂｅａｒｉｎｇ ａｎｄ ｉｔｓ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｅａｔｉｎｇ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ，ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｉｔ ｉｓ ｏｆ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｐｉｎｄｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓｐｉｎｄｌｅ；Ｐｒｅｃｉｓｅ ｂｅａｔｉｎｇ；Ｔｙｐｅ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ；Ｐｒｅ—ｔｉｇｈｔｅｎｉｎｇ；Ｓｕｐｐｏｒｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ； Ｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 主轴轴承是决定主轴单元工作性能的重要元件， 比，其速度可提高２０％，温升降低３５％～６０％，寿 主轴系统刚度、承载能力、主轴高速性能、温升性 命可提高３—６倍，陶瓷轴承的刚性较高，对内、外 能、振动与噪声等都与精密轴承有关。 圈温差不敏感，运转中预紧力的变化也较小。因此在 １ 精密主轴选型与配置 现代数控机床高速主轴中，陶瓷球轴承得到了广泛的 轴承种类的选择应根据主轴技术指标，并考虑其 应用。 经济性和技术复杂性，在流体轴承和滚动轴承中选择 ２高速主轴单元支承结构设计 合适的轴承种类。 轴承限位方式及其限位元件直接影响到主轴单元 轴承选型与配置的依据是主轴系统受力特性及主 总体精度指标，同时轴向限位元件也是保证轴承预紧 轴技术指标要求。轴承选型与配置实际上是根据技术 力的重要元件之一。 指标，在刚度要求、转速要求、负载大小、主轴结构 在现代数控机床主轴单元设计中，轴承轴向限位 设计对空间要求中求得平衡来进行轴承选型与配置。 元件常用的有精密锁紧螺母和阶梯过盈套。 高速机床主轴轴承一般有角接触轴承、圆柱滚子 采用精密螺母方式安装相对简单，但对主轴螺纹 轴承和双向角接触轴承等几种形式。对于高速轻载型 部分加工精度要求高，因螺纹联结本身是一种动不平 高速主轴，前后支承一般选用角接触轴承。 衡因素，这将影响主轴动平衡性能。因此这种结构形 高速主轴用角接触轴承其接触角主要有１５。和 式一般多用于８ ０００ ｒ／ｍｉｎ以下的机械式主轴。 ２５。两种。１５。接触角的轴承高速性较好，但轴向承载 对于更高转速的主轴，其动平衡精度要求极高。 能力和刚度较低。通常，ｌ５。接触角的角接触球轴承 为保证动平衡精度，轴承轴向限位元件通常选用阶梯 多用于磨床、铣床和高速加工中心主轴。 过盈套。这样不需在主轴上加工螺纹，容易保证过盈 高速主轴用滚动轴承其滚珠有与陶珠两种形 套的定位端面与轴心线垂直，主轴动平衡性好。但采 式，陶瓷滚动轴承与同规格、同精度的钢质轴承相 用这种方式安装拆卸都需要根据主轴形式设计相应的 收稿日期：２０１１—０６—２９ 作者简介：胡秋（１９７１一），男，工学硕士，高极工程师，主要从事机电一体化系统集成测试、超精密加工设备研制等科研 工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｈｕｑｕｍａｓｔｅｒ＠１６３．ｃｏｍ。 第１６期 胡秋等：精密轴承在高速精密主轴设计中的应用 ・１９・ 专用工艺装备，其安装拆卸复杂，要求高。 如图１所示，该主轴设计中，前、后轴承轴向限 位元件都采用了阶梯过盈套的形式，这样有利于提高 主轴动平衡性能。阶梯过盈套内径轴向分为二段，内 径分别为Ｄ 和Ｄ。（二者相差较小），与之相配合的 轴外径也相应分为ｄ，和ｄ：二段，这二段过盈都为过 盈配合，但过盈量略有不同。安装时须用热装方式完 成安装，拆卸时，在过盈套注轴孔处接一高压油泵将 阶梯过盈套涨开即可将阶梯过盈套取下来。 图１ 主轴前轴承轴向限位设计示意图 ３主轴轴承预紧 主轴轴承的预紧技术是高速精密主轴的关键技术 之一，合理的预紧可以提高主轴系统精度、刚度、寿 命和轴承的阻尼并降低噪声。预紧带来的负面影响是 增大磨损，温升增高。 轴承预紧包括预紧力大小和预紧方式（定位式 或定压式）的确定。确定预紧力大小的原则是在高 速性和刚度及温升的矛盾中求得平衡。最佳预紧力可 通过计算确定，其计算标准可以根据轴向载荷来确定 或者根据转速与温升来确定，但目前采用较多的方法 是根据主轴技术指标选择标准预紧等级。 精密主轴轴承预紧方式一般有定位式预紧和定压 式预紧两种。定位预紧是通过预选定的内外圈隔垫使 组配轴承内圈之间和外圈之间处于某一固定位置，从 而使轴承获得合适的预紧。其优点是容易实现，但高 速性不如定压式预紧。在现代数控机床中，定压预紧 是一种常见的预紧方式，其工作原理是利用螺旋弹 簧、碟形弹簧或可调液压力等预紧装置使轴承得到合 适的预紧。其特点是预紧力的大小是由预紧装置本身 决定的，其值基本不变，高速性好。图２即是一典型 的定压式预紧方式。 图２轴承定压式预紧方式 但在使用定压式预紧时，确定弹簧力的大小、结 构设计、装配都较复杂。对成组弹簧的制造要求高， 在装配前一般应使用专门的弹簧测力装置对成组弹簧 刚度与长度的一致性进行检查；在设计中确定弹性力 的大小时应充分考虑负荷大小、主轴质量、轴承本身 预紧力大小等各种因素。 ４高速主轴单元润滑技术 高速主轴设计中，轴承润滑技术是至关重要的一 环，润滑与主轴高速性能、温升、主轴成本、可维修 性等都有密切关系。 高速主轴一般采用的润滑方式有脂润滑、油一气 润滑等方式。高速主轴设计中，应在保证技术指标的 前提下选择最为经济的润滑方式。 脂润滑是一次性永久润滑，不需任何附加装置和 特别维护，但其温升较高，允许轴承工作的最高转速 较低，一般Ｄ， 值在１．０×１０。以下。其特点是结构简 单，使用方便，无污染，通用性强，成本低。脂润滑 关键技术点是选择正确润滑脂以及确定合理的润滑脂 注入量。 油一气润滑是一种新型的、较为理想的方式，它 利用分配阀对所需润滑的不同部位，按照其实际需 要，定时（间歇）、定量（最佳微量）地供给油一气 混合物。使轴承总是形成良好的润滑条件，油一气润 滑的压缩空气同时兼具冷却作用，因而可使主轴轴承 Ｄｎ值更高，可达２ Ｘ １０。。油一气润滑对润滑油、压 缩空气、供路设计具有严格的技术要求，其调试 参数（流量、时间间隔、压缩空气压力等）现在并 无成熟的理论或定量确定方法，调试比较麻烦。 ５结论 高速精密主轴是现代高性能数控机床的核心功能 部件之一，而精密轴承技术是高速精密主轴设计中的 核心技术之一，作者对高速精密主轴设计中所涉及的 高速精密轴承选型与配置、高速主轴单元支承结构设 计、主轴轴承预紧、高速主轴单元润滑技术等关键技 术问题进行了论述，对各种高速精密主轴设计具有参 考价值。 参考文献： 【１】戴曙．机床滚动轴承应用手册［Ｍ］．北京：机械工业出版 社．１９９３． 【２】戴曙．金属切削机床没计［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８１．
