電主軸培訓教材

高速加工中心電主軸結構設計及關鍵技術應用The construction design and key technology applicationOf motor spindle which used in high-speed machining centres 2014年10月33高速加工中心電主軸結構設計、關鍵技術及應用 摘 要現(xiàn)代汽車制造技術引入柔性化時代，高速加工中心成為了發(fā)動機柔性化生產(chǎn)線的重要組成部分，高速加工大大提高了生產(chǎn)率、加工精度、加工質(zhì)量，并降低成本。而高速電主軸是高速加工中心核心部件，因而對高速加工中心電主軸結構設計、關鍵技術及應用進行分析具有十分重大意義。本文首先針對加工中心高速電主軸的介紹了其結構特點、附件設計等，對兩種不同的電主軸進行結構分析，主軸與轉(zhuǎn)子的配合設計的方法；附件是電主軸重要組成部分，直接影響到電主軸使用性能。接著，重點論述了高速電主軸的關鍵技術，如：電主軸熱穩(wěn)定分析、軸承的潤滑技術、動平衡設計、驅(qū)動技術等。本文對高速電主軸重要組成部分角接觸陶瓷球軸承進行了重點論述，尤其是詳細分析了軸承的預緊力。最后，結合本人工作，介紹電主軸的維護與維修，其中對脂潤滑的電主軸裝配做了詳細介紹。 關鍵詞： 高速加工 電主軸 附件設計 軸承 維護與維修The construction design and key technology application Of motor spindle which used in high-speed machining centres Abstract Key words： 目 錄第一章 緒 論11.1 課題研究背景及主要內(nèi)容11.1.1課題來源11.1.2課題意義11.2 高速加工與電主軸11.2.1高速加工概述11.2.2電主軸概述11.2.3電主軸技術的發(fā)展及現(xiàn)狀1本章小結4第二章 高速加工中心電主軸的結構設計及性能分析52.1 電主軸的性能分析12.1.1精度和靜剛度12.1.2臨界速度12.1.3殘余動不平衡值及驗收振動速度值12.1.4噪音與套筒的溫升值12.1.5使用壽命值12.1.6電主軸與刀具接口12.2 電主軸結構設計與分析12.2.1電主軸結構12.2.2軸殼和轉(zhuǎn)軸12.2.3主軸與電機轉(zhuǎn)子的配合1 2.3 電主軸附件設計12.3.1電主軸刀具松夾刀系統(tǒng)12.3.2內(nèi)置編碼器12.3.3刀具內(nèi)冷裝置12.3.4主軸的氣吹和氣密封12.3.5松夾刀信號檢測1本章小結4第三章電主軸設計制造的幾個關鍵技術問題3.1電主軸的熱穩(wěn)定分析13.2軸承的潤滑技術13.2.1油脂潤滑13.2.2油霧潤滑13.2.3油-氣潤滑13.3動平衡設計13.4驅(qū)動技術1本章小結4第四章 高速電主軸的角接觸陶瓷球軸承的性能分析14.1磁懸浮軸承與動靜壓軸承14.1.1磁懸浮軸承14.1.2動靜壓軸承14.2混合陶瓷球軸承14.2.1混合陶瓷球軸承的概述14.2.1選擇混合陶瓷球軸承的理由公式14.2混合陶瓷球軸承14.2.2角接觸陶瓷球軸承的支承方式14.2.2混合陶瓷球軸承的裝配預加載荷1本章小結4第五章 高速電主軸電主軸的維護與維5.1電主軸的維護15.1.1周保養(yǎng)15.1.2月保養(yǎng)15.1.4蝶形彈簧的漲緊力檢查15.2電主軸的易損件的更換步驟與常見故障分析15.2.1更換刀具夾緊組件步驟15.2.2更換旋轉(zhuǎn)接頭步驟15.2.3軸承裝配的步驟1本章小結4圖2-1 軸向剛度和徑向剛度的測量位置1圖2-2 臨界速度1圖2-3 電主軸裝配圖1圖2-4 主軸附件結構圖1圖2-5 松夾刀油缸 1圖2-6 刀具內(nèi)冷冷卻液1圖2-7 電主軸氣吹和氣密封1圖2-8 模擬量檢測傳感器1圖3-1 冷卻系統(tǒng)1表3-1軸承潤滑方式性能對比表1表3-2 FAG電主軸軸承潤滑脂性能1表3-3 軸承供油量與軸承內(nèi)徑的關系1圖3-2 油-氣潤滑1圖3-3 磁懸浮軸承原理1第一章 緒 論1.1課題研究背景及主要內(nèi)容1.1.1課題來源本課題來自于奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動機公司設備部關于成立電主軸維修間的一個項目。1.1.2課題意義大約一個世紀以來，組合機床自動線以其高效率統(tǒng)治了汽車工業(yè)的生產(chǎn)。隨著競爭加劇，汽車產(chǎn)品更新?lián)Q代周期從幾十年縮短到4年，組合機床自動線由于缺乏柔性而無法適應。20世紀80年代，美國汽車巨人福特與機床巨人INGERSOLL合作，研制了集高柔性與高效率于一身的高速加工中心，由它組成的柔性自動生產(chǎn)線問世，加快了汽車產(chǎn)品的更新?lián)Q代，提高了企業(yè)的效率和靈活性。近年來，我國汽車工業(yè)采用了大量的數(shù)控設備，轎車裝備整體上進入了柔性化時代。發(fā)動機是汽車的心臟一樣，發(fā)動機制造技術汽車制造技術的集中體現(xiàn)。汽車面世以來。發(fā)動機制造技術已經(jīng)經(jīng)歷了兩次革命。第一次革命發(fā)生在二十世紀初，美國福特汽車公司創(chuàng)始人福特發(fā)明了大量生產(chǎn)流水線。其主要方式，是由組合/專用機床（special purpose machine/Transfer machine）組成的自動生產(chǎn)線TL(Transfer Line)，也稱為傳統(tǒng)自動線。其最大的優(yōu)點是高生產(chǎn)率幾十甚至上百把刀同時加工，其效率是任何其它類型生產(chǎn)線無法比擬的；低價格特別是我國，組合專機價格甚至低于批量生產(chǎn)的通用數(shù)控機床。其最大的缺點是柔性差，一旦產(chǎn)品變型和更換品種即基本上無法使用。為了解決產(chǎn)品的變型生產(chǎn)和便于更換品種，柔性生產(chǎn)技術被引進了汽車生產(chǎn)。二十世紀九十年代出現(xiàn)了高轉(zhuǎn)速、高快移速度、高加速度、快速換刀的高速加工中心。由其組成了高速柔性生產(chǎn)線FTL(Flexible Transfer Line)是發(fā)動機制造的第二次革命。其突出特點是一定程度克服了高柔性和低效率的矛盾。這種生產(chǎn)線不僅可以加工同樣產(chǎn)品范圍內(nèi)的零件，而且可以可以加工變型產(chǎn)品、換代產(chǎn)品以及新產(chǎn)品，真正具備了柔性的意義。缺點是投資大，效率受局限。目前是我國轎車企業(yè)的熱點生產(chǎn)線。奇瑞汽車股份有限公司自從2003年來，發(fā)動機生產(chǎn)線進入了柔性化時代，從國外引進了將近20條柔性生產(chǎn)線。這些柔性生產(chǎn)線是高速加工中心和相應的輔機，再上加智能工具而組成。對高速加工中心主要要求是：高速度、高精度、高精度保持性高機床工程能力指數(shù)（cm/cmk），高可靠性等。高速加工中心的機床指標范圍是：快移速度：60100m/min，加速度：0.61.5g；主軸最高轉(zhuǎn)速：800015000r/min。定位精度/重復定位精度工作臺1 m以下，8m/4m，工作臺1m以上，10m/5m（VDI標準）。主軸從啟動到最高轉(zhuǎn)速(或相反)只用12s的時間，工作臺的加(減)速度要達到(110)g(g=9.81m/s2)。目前，國際上這類加工中心的最新發(fā)展是，主運動普遍采用電主軸，進給運動愈來愈多采用直線電機。同時，普遍運用模塊化設計，機床非常簡約，外購件（配套件）比例增加，交貨期大大縮短。奇瑞發(fā)動機公司目前在這些柔性生產(chǎn)線上，共有各類加工中心350臺，這些高速加工中心，主運動普遍采用電主軸。因此，使用了近260根電主軸。電主軸作為高速加工中心最關鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產(chǎn)效率，電主軸在國外研究工作開展較早，現(xiàn)在已進入實際應用階段。但是，我國電主軸的設計制造技術剛剛起步，電主軸的各項性能指標和國外尚有較大的差距，對國外電主軸缺乏核心技術資料，后期的維護保養(yǎng)與維修工作還在摸索的過程中。在購買設備時，電主軸廠家要求，高速電主軸6000小時就要進行保養(yǎng)，部分廠家還要求23萬小時需要更換軸承（脂潤滑方式的電主軸），以確保主軸的壽命和精度。鑒于以上，奇瑞汽車股份有限公司發(fā)動機公司設備部做出了成立電主軸維修間的決定，本課題的研究對奇瑞公司乃至國內(nèi)同行以后更好的使用與維護電主軸，使其創(chuàng)造最大的經(jīng)濟效益具有著非常重大的意義。1.2高速加工與電主軸1.2.3高速加工概述高速加工技術是指采用超硬材料刀具磨具和能可靠的實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化、高柔性的制造設備，一大幅度的提高切削速度來達到提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代制造加工技術。它是提高切削效率、加工質(zhì)量、加工精度和降低加工成本的重要手段。其顯著標志是使被加工塑性金屬材料在切削過程的剪切滑移速度或超過某一域限值，開始趨向最佳切除條件，使得被加工材料切除所消耗的能量、切削力、工件表面溫度、刀具磨具磨損、加工表面質(zhì)量等明顯優(yōu)于傳統(tǒng)切削速度下的指標，而加工效率則大大高于傳統(tǒng)切削速度下的加工效率。實現(xiàn)高速加工技術的核心關鍵技術有：高速切削機理，高速機床技術，高速加工用刀具技術，高速加工工藝技術，以及高速加工測試技術等。其中高速機床則是實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。現(xiàn)在，世界各工業(yè)發(fā)達國家都把生產(chǎn)高速機床作為重要的發(fā)展目標，高速機床的生產(chǎn)能力和技術水平已經(jīng)成為衡量一個國家制造技術水平的重要標志。高速機床主要包括高速單元技術和機床整機技術。單元技術包括高速主軸、高速進給系統(tǒng)、高速CNC控制系統(tǒng)等。機床整機技術包括機床床身、冷卻系統(tǒng)、安全設施、加工環(huán)境等。早在20世紀30年代，德國切削物理學家薩洛蒙（Carl.Salomon）就對高速切削技術進行了研究。薩洛蒙發(fā)現(xiàn)，當切削速度超過某一數(shù)值后，隨切削速度增大，切削溫度不升反而降，這與常規(guī)速度切削現(xiàn)象正好相反，而且這一臨界速度值后，隨切削速度增大正好相反，而且這一臨界速度值與工件材料的特性有關。美國在上世紀70年代進行了高速切削試驗，結果表明：切削力下降，表面質(zhì)量提高，加工效率提高3倍左右。其它西方發(fā)達國家也在高速加工技術方面做了許多工作，尤其是德國，在高速加工機床、刀具、控制系統(tǒng)及相關技術方面，均走在世界的前列。日本對于高速加工的機理研究也開展得比較早，并積極地將相關先進技術應用于制造領域，90年代以來，日本已成為世界上為數(shù)不多的主要高速機床的供應者之一。1.2.2電主軸概述 隨著電氣傳動技術的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結構已得到極大的簡化，基本上取消了皮帶傳動和齒輪傳動。機床主軸由內(nèi)裝式電動機直接驅(qū)動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。這種主軸電動機與機床主軸合二為一的傳動結構形式，使主軸部件由機床的傳動系統(tǒng)和整體結構中相對獨立起來，因此可做成“主軸單元”。俗稱“電主軸(Motorzed Spindle)”。由于電主軸主要采用的是交流高頻電動機，故也稱為“高頻主軸”；由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)，有時有稱它為“直接轉(zhuǎn)動主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高，功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉(zhuǎn)的可靠與安全。高速加工和超高速加工機床采用電主軸,可以說是最佳的選擇.這是因為：1 若仍采用電動機通過帶或齒輪等方式傳動，則在高速運轉(zhuǎn)時，產(chǎn)生的振動和噪聲等問題很難解決，勢必影響高速加工的精度，表面粗糟度，并導致環(huán)境質(zhì)量的惡化。2 高速加工的最終目的是為了提高生產(chǎn)率，相應地要求在最短時間內(nèi)實現(xiàn)高轉(zhuǎn)速的速度變化，也即要求主軸回轉(zhuǎn)時具有較大的角加，減速度達到這個苛刻要求的最經(jīng)濟的辦法，是將主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減至最小。而只有將電動機內(nèi)置，省掉齒輪，帶輪等一系列中間環(huán)節(jié)，才有可能達到這一目的。3 電動機內(nèi)置于主軸兩支承之間，與用帶、齒輪等作末端傳動的結構相比，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就提高了系統(tǒng)的固有頻率，從而提高來哦其臨界轉(zhuǎn)速值。這樣，電主軸即使在最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)時，仍可確保低于其臨界轉(zhuǎn)速，保證高速運轉(zhuǎn)時的安全。4 由于沒有中間傳動環(huán)節(jié)的外力作用和沖擊，因而傳動更加平穩(wěn)，軸承壽命延長。此外，電主軸與傳統(tǒng)的主軸傳動系統(tǒng)相比結構簡單，緊湊，這樣也便于把它多軸聯(lián)動機床，多面體加工機床和并聯(lián)(虛擬軸)機床上。電主軸還應用于主軸經(jīng)常要設定在某個電器旋角或其他角度的螺紋磨床，齒輪磨床，拉刀磨床等機床上。為了簡化結構，方便維修，一些平面磨床：萬能外圓磨床等也采用了電主軸。1.2.3電主軸技術的發(fā)展及現(xiàn)狀早在20世紀50年代，就已經(jīng)出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當時的變頻器采用的真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件的計算機技術的發(fā)展產(chǎn)生了全固態(tài)原件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷軸承的出現(xiàn)，使的在20世紀80年代末、90年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。國外高速店主技術發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前已經(jīng)普遍達到10000r/min甚至更高。1976年美國的Vought公司首次推出一臺超高速銑床，采用了Bryant內(nèi)裝置電機住會走系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達到了20000 r/min，功率為15KW。到90年代末期，電主軸發(fā)展的水平是：轉(zhuǎn)速40000 r/min，功率40KW。但2001年美國Cincinnati公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了SuperMach大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達60000 r/min，功率為80KW。目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有：瑞士的FISCHER公司、IBAG公司和Step-Tec公司，德國的GMN公司和FRANZ KESSLER FAG公司，瑞典的SKF公司，意大利的GAMFIOR公司Omlat和FOEMAT公司，日本的牧業(yè)機床和大隈加工中心的電主軸。高速電主軸生產(chǎn)技術的突破，大大推動了世界高速加工技術的發(fā)展與應用。本章小結本章簡要介紹了論文課題的來源及意義；概述了高速加工技術及特點；介紹了高速加工中心電主軸的發(fā)展和現(xiàn)狀，電主軸與機械主軸并進行了比較。第二章 高速加工中心電主軸結構設計及性能分析2.1電主軸的性能參數(shù)2.1.1精度和靜剛度電主軸的精度和剛度與電主軸前后軸承的配置方式、主要零件的制造精度、選用滾動軸承的尺寸和精度等級、裝配的技術水平和預加載荷的大小密切相關。必須強調(diào)指出，電主軸的最終精度往往可以得到等于或高于單個軸承的精度，這是由于裝配工人在裝配時巧于選配，將單個軸承的誤差進行相互補償及恰當施加預加載荷的結果。為此高速電主軸的生產(chǎn)對設計水平、制造工藝、工人技藝和裝配環(huán)境的潔凈度和恒溫控制等均有極為嚴格的要求，并不是一個制造企業(yè)都能生產(chǎn)精度合格、運轉(zhuǎn)安全、壽命長的電主軸。剛度分為軸向剛度和徑向剛度，其測量位置如圖2-1所示。其數(shù)值隨電主軸的套筒大小而變化，單位為N/um。而同樣大小尺寸的套筒，其剛度數(shù)值最高轉(zhuǎn)速高低而變化，一般最高轉(zhuǎn)速高的剛度小于最高轉(zhuǎn)速低的剛度。這既反映了電主軸工作的實際需要，又與轉(zhuǎn)速高時預加載荷較小有關。 圖2-1 軸向剛度和徑向剛度的測量位置2.1.2臨界速度臨界速度是指一個回轉(zhuǎn)質(zhì)量系統(tǒng)（包括刀具在內(nèi)，如圖2-2）在某一特定的支承條件下，產(chǎn)生系統(tǒng)最低一階共振時的轉(zhuǎn)速。臨界速度對高速回轉(zhuǎn)部件的安全運轉(zhuǎn)至關重要。用戶在使用時，刀具質(zhì)量不能超出規(guī)定值，其長度直徑比一般不應大于某一數(shù)值（例如4：1），并要求使用經(jīng)過動平衡的刀具。如果用戶必須使用超重或大于規(guī)定的長徑比的刀具，有些電主軸廠家可以承諾代為計算其新的臨界轉(zhuǎn)速值，以保證運轉(zhuǎn)安全可靠。圖2-2 臨界速度2.1.3殘余動不平衡值及驗收振動速度值高速回轉(zhuǎn)時，即使小的不平衡量，也會產(chǎn)生很大的離心力，從而使電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生振動。為此，電主軸廠家必須對電主軸系統(tǒng)進行精確的動平衡。一般都執(zhí)行ISO標準G0.4級，即在最高轉(zhuǎn)速時，由于殘余動不平衡引起振動的速度最大允許值為0.4mm/s。2.1.4噪音與套筒的溫升值電主軸在最高轉(zhuǎn)速時，噪音一般應低于7075db（A）。盡管電主軸的電動機及前軸承外圍處都采用循環(huán)水冷卻，但仍會有一定的溫升。通常在套筒前端處（其溫升為T1）和套筒前軸承外圍處（其溫升為T2）測量溫升。當電主軸在最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)至熱平衡狀態(tài)時，一般T1應低于20，T2應低于25。2.1.5使用壽命值由于高速運轉(zhuǎn)，采用滾動軸承的電主軸工況一般比較惡劣，因此，其使用壽命總是有限的，雖然這個壽命數(shù)據(jù)對用戶至關重要，但是電主軸制造廠不愿意以書面形式提供。其原因如下：（1）對機床而言，軸承失效形式不要不是材料表面疲勞，而是精度喪失。疲勞失效的壽命較長，而且可進行相對較為精確的計算；而精度喪失失效的壽命相對較短，而且很難精確計算。（2）精度壽命與使用的工況條件和用戶維護水平關系很大，而且精度喪失以后，難以分清是用戶的責任還是制造廠的責任。盡管這樣，在正常使用和維護的前提下，制造廠商一般應保證使用壽命在500010000h。一套電主軸價值約為一臺高速數(shù)控機床的6%10%。電主軸在失效后，一般完全可以通過檢修恢復到新的程度的。因此機床用戶在訂購高速機床時，最好備一套電主軸作為備件。這樣，失效時可以立即送修，同時換上備件繼續(xù)工作。雖然購機成本相對較高，但是可以避免價值90%94%的機床至少數(shù)百小時，從經(jīng)濟上說也是合算的。2.1.6電主軸與刀具接口此項雖不是基本參數(shù)，但關系到電主軸的使用性能。當前，國內(nèi)外幾乎所有電主軸廠均可按用戶的需要，提供標準或非標準的刀具接口。用于車床時，可按照用戶要求提供卡盤的接口。2.2電主軸結構設計與分析2.2.1電主軸結構圖2-3是Starrag-Heckert（斯大理格?？铺兀〤WK4000-5000加工中心（a）和日本大隈公司的加工中心所使用的電主軸裝配圖紙（b），結構上采用當前比較流行的內(nèi)置電機、水循環(huán)冷卻、角接觸混合陶瓷軸承支撐的典型形式。圖（a）中的軸承采用了免維護油脂潤滑，彈性預加載荷裝置；刀具夾緊松開檢測開關是模擬量的。圖（b）中的軸承采用了油氣潤滑，剛性預加載荷；刀具夾緊松開檢測開關是數(shù)字量的。電機的轉(zhuǎn)子采用壓配方法與主軸做成一體，主軸則由前后軸承支撐。轉(zhuǎn)子定子通過冷卻套安裝于主軸單元的殼體中。主軸的變速由主軸驅(qū)動模塊控制，而主軸單元內(nèi)的溫升由冷卻裝置控制。在主軸的后部裝有測速、測角位移編碼器，松刀液壓油缸，供刀具內(nèi)冷水的靜動陶瓷結合面旋轉(zhuǎn)接頭；前端有刀具夾爪、內(nèi)錐孔以及端面用于安裝和定位刀具；中間有中空的刀具拉桿，刀具拉緊的碟形彈簧；主軸殼體里面設置了鋁質(zhì)冷卻水套，循環(huán)水沿冷卻水套外壁流動來冷卻電機和軸承2.2.2軸殼和轉(zhuǎn)軸軸殼的尺寸精度和位置精度直接影響主軸的綜合精度。通常將軸承座孔直接設計在軸殼上。電主軸為加裝電機定子，必須開放一端。大型或特種電主軸，可將軸殼兩端均設計成開放型。高速、大功率和超高速電主軸，其轉(zhuǎn)子直徑往往大于軸承外徑，為控制整機裝配精度，應將后軸承安裝部分設計成無間隙配合。轉(zhuǎn)軸是高速電主軸的主要回轉(zhuǎn)體。它的制造精度直接影響電主軸的最終精度。成品轉(zhuǎn)軸的形位公差和 尺寸精度要求很高，轉(zhuǎn)軸高速運轉(zhuǎn)時，由偏心質(zhì)量引起振動，嚴重影響其動態(tài)性能，必須對轉(zhuǎn)軸進行嚴格動平衡測試。部分安裝在轉(zhuǎn)軸上的零件也應隨轉(zhuǎn)軸一起進行動平衡測試。2.2.3主軸與電機轉(zhuǎn)子的配合 對電主軸進行結構設計時，需要考慮一下幾個問題：首先，它是一種精密部件，主軸軸承需要調(diào)整更換，要求軸上零件便于拆裝。其次，主軸軸承是在預緊力作用下工作的，軸承的定位元件在高速下承受一定的軸向力；電機的轉(zhuǎn)子安裝在主軸上，它與主軸的結合面?zhèn)鬟f扭矩。第三，主軸在高速下運轉(zhuǎn)時，動平衡要求非常高，電機轉(zhuǎn)子和機床主軸之間不宜采用鍵聯(lián)結來傳遞扭矩。為了解決上述問題，我們在電主軸的結構設計中采用了過盈聯(lián)結結構，并設計成階梯套的形式。階梯過盈套作為定位緊固元件，與螺紋聯(lián)結相比有以下優(yōu)點（1）不會在軸上產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)應力，因而對軸的旋轉(zhuǎn)精度沒有影響。（2）易保證零件定位端與軸心線的垂直度，對軸承預緊時，不會引起軸承的受力不均，不影響軸承的壽命。（3）過盈套質(zhì)量均勻，主軸動平衡易得到保證。（4）常用熱套法進行安裝，注入壓力油的方法進行拆卸，對主軸無損害。（5）定位可靠，可提高主軸的剛度。軸殼 軸殼是高速電主軸的主要部件。（a）SPECHT-500W加工中心電主軸圖紙（HSKA63 15000r/min） 1.刀柄 2.刀具夾爪 3.角接觸陶瓷球軸承 4.刀具拉桿 5.轉(zhuǎn)子 6.定子 7.蝶形彈簧 8.預緊力調(diào)整彈簧 9.軸承 10.內(nèi)置編碼器 11.松夾刀位置接近開關 12.松夾刀油缸 13.刀具內(nèi)冷旋轉(zhuǎn)接頭 14.氣密封通道 15. 預緊力調(diào)整彈簧 16循環(huán)水冷通道（b）大偎加工中心電主軸圖紙（HSK-A100 12000r/min）1.刀具夾爪 2.角接觸陶瓷球軸承 3.刀具拉桿 4.轉(zhuǎn)子 5.定子 6.蝶形彈簧 7.軸承 8.內(nèi)置編碼器 9. 松夾刀油缸 10.內(nèi)冷桿 11.油-氣潤滑管路 12. 循環(huán)水冷通道 13. 松夾刀位置接近開關圖2-3 電主軸裝配圖2.3 電主軸附件設計電主軸要獲得好的性能和使用壽命，不僅對電主軸的軸承、伺服電機進行精心設計、制造、裝配，而且，它所帶附件設計要求也非常高。其附件不僅完美的實現(xiàn)電主軸的功能，而且要禁得起時間和速度的考驗。為了適用于加工中心，電主軸為了完成ATC(刀具自動交換)的動作過程和剛性攻絲過程，必須內(nèi)置主軸編碼器；為了高速切削刀具進行冷卻，選擇使用帶有陶瓷密封的旋轉(zhuǎn)接頭，為提供刀具內(nèi)冷冷卻液；電主軸還配備了自動松夾刀具裝置、主軸氣密封、松夾刀信號檢測開關等。2.3.1電主軸刀具松夾刀系統(tǒng)自動松夾裝置（見圖2-4）包括刀具夾爪、碟形簧、松夾刀油缸等。松刀時，電主軸后面配置了一個松刀油缸9，油缸的后腔充入液壓油，使活塞向前推進，從而把刀具拉桿5克服蝶形彈簧6的漲緊力向前伸出，拉桿向前移動，刀具彈性夾爪3收縮，刀具即可輕松拔出進行新舊刀具的交換；新刀裝入后，液壓缸活塞后移，蝶形彈簧漲緊力把拉桿向后移動，夾爪把刀具漲緊，把刀具錐柄和主軸內(nèi)錐孔和前端面緊密接觸，這樣就把刀具夾緊了。一般加工中心的換刀時間只有兩秒的時間，所以這套裝置非常靈活、能夠?qū)崿F(xiàn)快速刀具的松夾。 圖2-4 主軸附件結構圖1.刀柄 2.拉桿頭部 3.夾爪 4.夾爪支架 5.拉桿 6.蝶形彈簧 7.拉桿尾部 8.松夾刀感應錐體 9.松夾油缸 10.內(nèi)冷旋轉(zhuǎn)接頭 （1）刀具夾爪、拉桿、蝶形彈簧 根據(jù)奇瑞發(fā)動機二廠481缸體線OP110工序共有兩臺加工中心，單班產(chǎn)量200臺，平均每臺生產(chǎn)100件缸體，生產(chǎn)一件主軸需要換刀20次，那么單班一臺加工中心主軸要更換2000次，刀具在單班里面就要重復松夾2000次，一年平均每根電主軸要進行200萬次，而且還要承受刀具夾緊力，所以刀具夾爪、拉桿要有非常高的強度和耐磨性，蝶形彈簧疲勞強度要好，來滿足電主軸加工時無數(shù)次的松夾刀具，不易很快磨損，拉裂；（2）松夾刀油缸 松夾刀油缸是一種特殊的油缸，活塞的中間有中心孔，來提供刀具內(nèi)冷冷卻液和壓縮空氣。油缸活塞向前移動松開刀具過程中，油缸松夾的作用力很大，一般把它作用在主軸本身上，使其自身形成作用力與反作用了，達到平衡，不會影響到主軸軸承的使用精度與壽命。 圖2-5 松夾刀油缸 P 進油 T 回油 2.3.2內(nèi)置編碼器在ATC(刀具自動交換)動作過程中，由于刀具裝在主軸上，切削時切削轉(zhuǎn)矩不可能僅靠錐孔的摩擦力來傳遞，因此在主軸前端設置一個突鍵，當?shù)毒哐b入主軸時，刀柄上的鍵槽必須與突鍵對準，才能順利裝刀，所以電主軸必須設定一個準停位置；剛性攻絲操作不使用浮動卡頭而是由主軸的回轉(zhuǎn)與攻絲進給軸的同步運行實現(xiàn)。主軸回轉(zhuǎn)一圈，攻絲軸的進給量等于絲錐的螺距，這樣可提高精度和效率，欲實現(xiàn)剛性攻絲，電主軸必須檢測到回轉(zhuǎn)的起始角度和圈數(shù)。加工中心為了完成ATC和剛性攻絲動作過程準停位置和角度檢測，必須設置主軸位置編碼器。主軸編器由齒輪分度盤和傳感器組成。齒輪環(huán)一周有1024個齒齒輪分度盤（根據(jù)編碼器的精度需求）并且上面還有一個零點標記，磁感應傳感器感應齒輪分度盤，通過檢測、統(tǒng)計信號的通斷數(shù)量來計算旋轉(zhuǎn)角度，反饋到數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)準確的相位控制以及與進給的配合。2.3.3刀具內(nèi)冷裝置高速切削的刀具一般采用恒溫的乳化液來冷卻，通過一個回轉(zhuǎn)接頭把恒溫的冷卻液從后部軸末端通過主軸刀具拉桿中心孔引導到刀具里面。刀具內(nèi)冷冷卻液必須經(jīng)過二級過濾，過濾精度為0.05mm（50m）內(nèi)冷壓力最大可達到70bar。為了解決為高速旋轉(zhuǎn)的主軸提供冷卻液，在主軸后面配置了一個旋轉(zhuǎn)接頭，此裝置一端旋轉(zhuǎn)，另一端靜止不動，兩者結合處選擇了耐磨的陶瓷密封的結合面，在靜止的那端，利用彈簧力把靜止陶瓷面始終貼靠到旋轉(zhuǎn)處的陶瓷面，即使有磨損，冷卻水也不會泄露。 圖2-6 刀具內(nèi)冷冷卻液 2.3.4主軸的氣吹和氣密封 通道 1是在活塞推動拉桿松開刀柄的過程中，壓縮空氣從后面的旋轉(zhuǎn)接頭到刀具拉桿中心孔，最后吹到主軸內(nèi)錐孔面和與刀具結合的主軸端面上，將它們吹干凈，防止主軸錐孔中掉入切屑和灰塵，防止主軸孔表面和刀具的錐柄劃傷，保證刀具的正確裝夾位置。通道2是在加工時和機床停機半小時內(nèi)，始終向主軸內(nèi)吹氣，共有兩個分支，前面的分支，保持主軸內(nèi)部與外部始終形成壓力差，保證加工區(qū)域的乳化液和切屑不進到主軸前端的軸承里面，起到保護主軸軸承作用；后面分支是把電主軸的定子和轉(zhuǎn)子之間水霧吹走，使其空間始終保持干燥，起到保護電主軸的電機。 圖2-7 電主軸氣吹和氣密封2.3.5松夾刀信號檢測加工中心刀具夾緊和松開檢測開關一般模擬量傳感器和接近開關，模擬量開關一般使用位移傳感器來感應一個錐體，此錐體安裝在刀具的拉桿上，在松夾刀過程中，和拉桿同步移動，這樣就可以檢測到刀具拉桿的位移量，來判斷刀具松開夾緊信號。接近開關檢測是利用一組開關（一般3到4個接近開關），有一個感應環(huán)安裝到刀具拉桿上，同樣和刀具拉桿同步移動，不同的信號組合來判斷刀具是否被松開夾緊。 圖2-8 模擬量檢測傳感器本章小結本章介紹了高速加工中心的性能參數(shù)、隨后重點介紹了兩種不同廠家的電主軸的結構特點，電主軸的組件設計，為第五章打下了基礎。第三章電主軸設計制造的幾個關鍵技術問題3.1電主軸的熱穩(wěn)定分析內(nèi)置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱是電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。 （1）電主軸由于采用內(nèi)藏式主軸結構形式，位于主軸單元體中的電機不能采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。電機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電機發(fā)熱量由電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中；其余2/3的熱量產(chǎn)生于電機的定子。所以，對電機產(chǎn)生發(fā)熱的主要解決方法是對電機定子采用冷卻液的循環(huán)流動來實行強制冷卻。加工中心電主軸典型的冷卻系統(tǒng)是用外循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子，將電機的熱量帶走。如圖3-1所示。圖3-1 冷卻系統(tǒng)（2）角接觸球軸承的發(fā)熱主要是滾子與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。減小軸承發(fā)熱量的主要措施：（a）適當減小滾珠的直徑 減小滾珠直徑可以減小離心力和陀螺力矩，從而減小摩擦，減少發(fā)熱量。（b）采用新材料 比如采用陶瓷材料做滾珠，陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發(fā)熱量降低。（c）采用合理的潤滑方式 油氣和油霧等潤滑方式對軸承不但具有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。3.2軸承的潤滑技術為了保證滾動軸承正常運轉(zhuǎn)，必須有良好的潤滑。滾動軸承的額定載荷和極限轉(zhuǎn)速都是在假設潤滑適當?shù)臈l件下確定的，所謂潤滑適當是指潤滑劑選擇合適，潤滑劑量適當。潤滑不良常是引起軸承早期破壞的主要原因之一。滾動軸承中存在著多種滑動，使軸承運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生摩擦發(fā)熱與磨損。對滾動軸承進行潤滑主要目的是避免滾道、滾動體、保持架之間直接接觸，減小摩擦發(fā)熱，避免溫升過高，減少軸承零件磨損，防止銹蝕，延長疲勞壽命。在循環(huán)油潤滑中，潤滑油的流動還可以起到散熱冷卻的作用，脂潤滑時，潤滑脂還可以起到一定的密封作用。電主軸滾動軸承潤滑有油脂、油霧、油-氣等潤滑方式。脂潤滑一般用在dmn(dm是軸承內(nèi)外徑的平均值，單位為mm；n是轉(zhuǎn)速，單位r/min)小于1106的低速主軸，在使用陶瓷軸承的條件下，可使dmn值提高25%-35%。dmn值在1106以上的主軸，多采用油霧、油-氣和噴射潤滑方式。脂潤滑油霧潤滑油氣潤滑dmn值最低較低一般軸承溫升高較高較低特點無須潤滑裝置,密封簡單,冷卻性能差灰塵和切削液不易侵入,污染環(huán)境,成本低灰塵和切削液不易侵入, 無污染, 能達到最小油量潤滑,成本較高用途適用低速很少采用應用廣泛 表3-1軸承潤滑方式性能對比表3.2.1油脂潤滑 滾動軸承可用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。當滾動軸承的dmn較低時可用脂潤滑。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適，潔凈、密封良好，則脂的使用壽命會很長，一次充脂可以使用到大修，不需中途補充。因此，結構上不必設計加脂孔。潤滑脂由潤滑油、稠化劑和添加劑在高溫下混合而成。潤滑脂的填充量要適當，過多的填脂將使軸承運轉(zhuǎn)時溫升增大，同時也造成不必要的損耗。填充量不應超過軸承內(nèi)部空間的30%，或用式3-1估算 Q=qdmB10-3 式3-1式中Q潤滑脂填充量，cm3； q系數(shù)，d300mm、q=1.5， 130d160mm、q=2， 160 d 200、q=3，d200mm、q=4； B軸承寬度，mm。選擇潤滑脂一般根據(jù)軸承的工作條件、工作溫度和載荷條件來決定潤滑脂的種類和性能。高速電主軸一般選用鋰基脂或鋇基脂。國外各大軸承公司也都相應研制有自成體系的適用于各種應用場合的潤滑脂。其中FAG軸承公司就為自己的電主軸軸承研制了幾種潤滑脂，如表3-1FAG潤滑脂ArcanolL75性能好，可以在80的溫度下，使軸承正常工作，廣泛用于高速電主軸的軸承的潤滑。ArcanolL210是另一種高速潤滑脂，由于它的粘度特性可以適用于更高的溫度，可以達到100。型號類型基油運動粘度40/100mm2/S耐溫度適用的軸承系列號ArcanolL75聚脲脂22/580HSS,HCS,XCSB,HCB2RSDArcanolL210聚脲脂65/10100表3-2 FAG電主軸軸承潤滑脂性能3.2.2油霧潤滑 如果滾動軸承的dmn值較高時，則軸承不僅需要潤滑還需要冷卻，此時可采用油霧潤滑。油霧潤滑以壓縮空氣為動力，通過油霧器，使油液霧化并混入空氣流中，然后油嘴噴射到需要潤滑的地方。油霧潤滑能獲得良好而均勻的潤滑效果，壓縮空氣不僅輸送油霧，還能帶走磨擦產(chǎn)生的熱量，大大降低磨擦副的工作溫度，又因油霧潤滑大幅度降低潤滑油的消耗量，從而減少了因攪拌而產(chǎn)生的發(fā)熱；此外，油霧潤滑具有一定的壓力，因此可以起到良好的密封作用。油霧潤滑的壓縮空氣的壓力一般要求為0.51.5bar，它所用的油量極少，每個軸承的供油量與軸承內(nèi)徑的關系列于表3-2中。軸承內(nèi)徑/mm油量/（mL/h）500.10.2501200.20.51200.51.0 表3-3 軸承供油量與軸承內(nèi)徑的關系3.2.3油-氣潤滑 油-氣潤滑是最近發(fā)展起來的一種所需油量最少的新技術，潤滑劑消耗量是油霧潤滑的1/10，能確保潤滑的高效性并降低磨損，是一種比較理想的潤滑方式，尤其適用于高速旋轉(zhuǎn)的滾動軸承。油氣潤滑與油霧潤滑的主要區(qū)別是供給軸承的潤滑油未被霧化，而是成滴狀進入軸承中，因此比采用油霧潤滑更容易在軸承中沉積，且不污染環(huán)境。由于使用大量空氣冷卻軸承，因此運行溫度比采用油霧潤滑和其它各種潤滑方式低。因此允許軸承的dmn值可以更高,一般用于dmn1106高速軸承。圖3-2 油-氣潤滑油-氣潤滑是將一定壓力的壓縮空氣和潤滑油混合后，形成條紋狀油液微滴，進入軸承內(nèi)部磨擦區(qū)域進行潤滑。要求所形成的潤滑油膜不能太厚，最好選擇比樣本提供的參考黏度值大510倍的潤滑油；以確保有良好的黏度和潤滑性能.如ISOVG32ISOVG100導軌油是比較理想的潤滑油；在重載條件下還可選用耐高壓含有添加劑的油。壓縮空氣必須干燥，且過濾精度不大于3um，空氣壓力必須與流量、管路長度、管路內(nèi)徑，軸承的內(nèi)壓力損失相匹配。軸承的供油方式軸承類型和配置方式。對單列軸承而言，最佳潤滑方式為從一邊進入軸承內(nèi)部，噴嘴孔應與內(nèi)環(huán)齊平，不能指向保持架；對雙列軸承而言，潤滑油必須從與外圈滾動邊齊平的地方噴入軸承內(nèi)部以對軸承充分潤滑。3.3動平衡設計在超高速主軸中，微小的不平衡量會產(chǎn)生巨大的振動，導致加工精度和表面質(zhì)量下降，因此設計中必須嚴格遵循對稱設計的原則，且主軸的每一個零件都必須經(jīng)過十分精密的加工、裝配、校正。由于電主軸的電機轉(zhuǎn)子直接和主軸聯(lián)結，增加了主軸的轉(zhuǎn)動慣量，使主軸的極限轉(zhuǎn)速下降，因此超高速電主軸的動平衡精度要求十分嚴格，一般應達到 G1G0. 4級(G= e,e 為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，為角速度) 。這樣高的要求，僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是不夠的，必須在裝配后進行整體精確動平衡，甚至設計專門的自動平衡系統(tǒng)來實現(xiàn)主軸在線平衡，以確保主軸的高速平穩(wěn)運行。在設計電主軸時，必須嚴格遵守結構對稱原則，軸上的運轉(zhuǎn)部件與軸之間避免采用鍵連接的形式18。電主軸結構中與主軸連接的最主要的轉(zhuǎn)動部件是內(nèi)置電機的轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子與主軸之間以過盈配合來傳遞扭矩，其過盈量按最大扭矩計算，并同時考慮轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的離心力作用，因為離心力較大時，使轉(zhuǎn)子本體有徑向膨脹的趨勢，會抵消部分過盈量。另外，配合面的粗糙度也是計算過盈量所必須考慮的。在轉(zhuǎn)子與主軸裝配前，轉(zhuǎn)子硅鋼片的外徑應預留一定的加工余量，用熱壓法裝配完畢后，再對轉(zhuǎn)子外徑進行精車，以減小偏心質(zhì)量。為了方便動平衡，在電機轉(zhuǎn)子的兩個端蓋上對稱加工出16個小螺紋孔，根據(jù)動平衡振動測量儀的結果，在螺紋孔內(nèi)旋入螺釘，并調(diào)節(jié)至適宜深度，達到動平衡標準時，再用環(huán)氧樹脂將螺釘固化。3.4驅(qū)動技術第四章 高速電主軸的角接觸陶瓷球軸承的性能分析4.1磁懸浮軸承與動靜壓軸承高速電主軸的核心支撐部件是高速精密軸承。因為電主軸的最高轉(zhuǎn)速取決于軸承的大小、布置和潤滑方法，所以這種軸承必須具有高速性能好、動負荷承載能力高、潤滑性能好、發(fā)熱量小等優(yōu)點。近年來，相繼開發(fā)研制了陶瓷軸承、磁浮軸承、動靜壓軸承。4.1.1磁懸浮軸承隨著科學技術的發(fā)展，人們還開發(fā)了加工中心使用的磁懸浮軸承。磁懸浮軸承又稱磁力軸承。磁力軸承的開發(fā)與應用是旋轉(zhuǎn)機械支承技術上的一項重大突破。磁力軸承是一種新型的高性能軸承，具有各種傳統(tǒng)軸承無法相比的特殊性能。它依靠多副在圓周上互為180的電磁鐵（磁極）產(chǎn)生徑向方向相反的吸力（或斥力），將主軸懸浮在空氣中。軸頸與軸承不接觸，徑向間隙為1mm左右。當軸承載荷后，主軸在空間位置發(fā)生微弱變化，由位置傳感器測出其變化值，通過電子自動控制與反饋裝置，改變相應磁極的吸力（或斥力）值，使其迅速恢復到原來的位置，使主軸始終繞其慣性軸回轉(zhuǎn)。故這種軸承又稱為主動控制磁力軸承，其工作原理見圖3-3磁懸浮軸承電主軸在空氣中回轉(zhuǎn)，因此磁浮軸承不與軸頸表面接觸，不存在機械摩擦和磨損，不需要潤滑和密封，溫升低，熱變形小，轉(zhuǎn)速高，壽命長，能耗低；磁力軸承基本電磁力反饋控制系統(tǒng)保證了主軸的旋轉(zhuǎn)精度，剛度和阻尼可調(diào)控，可消除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動，可實現(xiàn)高速回轉(zhuǎn)下自平衡，回轉(zhuǎn)特性可由傳感器和控制系統(tǒng)獲得，便于狀態(tài)監(jiān)控和診斷。磁力軸承目前達到的性能指標：旋轉(zhuǎn)精度最高可達0.030.05um，轉(zhuǎn)速最高達1105r/min(軸頸線速度200m/s，速度因子dmn=4106)，軸承力達到3105N，徑向剛度達到600N/um（靜剛度）和100N/um（動剛度），功耗為同徑傳統(tǒng)軸承的0.10.01，可靠性MTBF4000h。但是由于磁浮軸承價格昂貴，控制系統(tǒng)復雜，發(fā)熱問題不易解決,通過只用在特殊的場合，在高速主軸單元上大面積推廣并不實用。 圖4-1 磁懸浮軸承原理4.1.2動靜壓軸承動壓軸承是利用潤滑油的粘度和軸頸的高速旋轉(zhuǎn)，把油液帶進軸承的楔形空間建立起壓力油膜，使軸頸與軸承被油膜隔開；靜壓軸承是將壓力油強制送入軸和軸承的配合間隙中，利用液體靜壓力支承載荷。動靜壓軸承為非接觸式軸承，具有磨損小、壽命長、旋轉(zhuǎn)精度高、阻尼特性好（振動小）等優(yōu)點，用于電主軸上，在加工時，可使刀具壽命長、加工表面質(zhì)量高。其缺點是：必須專門進行設計,單獨生產(chǎn),標準化程度低,維護也困難。目前 ,高精度磨削加工使用。4.2混合陶瓷球軸承4.2.1混合陶瓷球軸承的概述目前，電主軸應用最多的軸承還是混合陶瓷球軸承。即滾動體使用熱壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。陶瓷軸承可以應用于高速、高溫、低溫、強腐蝕、強磁場、真空、高壓等各種惡劣的工況。陶瓷軸承的主要性能如下：承載能力高陶瓷材料的硬度最高可達軸承鋼的2倍，彈性模量是軸承鋼的1.5倍，因此陶瓷軸承的承載能力也大大高于軸承鋼軸承耐熱性好陶瓷材料在高溫下強度降低很小，即使在800仍然保持很高的強度和力學性能，同時陶瓷材料熱膨脹率僅為軸承鋼的22%，因此高溫尺寸穩(wěn)定性較好。極限轉(zhuǎn)速高陶瓷球軸承的工作轉(zhuǎn)速可以達到同型號軸承鋼軸承極限速度的1.3倍以上。摩擦溫升小陶瓷球軸承在18000r/min的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時的溫升約為相同條件下軸承鋼軸承溫升的60%。摩擦損失小同型號的軸承，陶瓷材料的質(zhì)量比鋼小，只有軸承鋼的40 %，運轉(zhuǎn)時滾動體所受離心力和陀螺力矩小，自旋滑動小，因此摩擦損失明顯低于軸承鋼軸承。耐久性高陶瓷材料硬度高、耐磨性極好，陶瓷軸承的工作壽命一般是普通軸承鋼軸承的兩倍以上。耐腐蝕性好陶瓷材料能抵抗鹽酸、硫酸、硝酸、燒堿等各類無機酸、有機酸、鹽、堿以及熔融金屬的腐蝕。絕緣性好，導磁率低陶瓷材料的電阻為106歐姆.m，幾乎為絕緣體，磁導遠小于0.1H，適于做任何非磁性零件。自潤滑性好陶瓷軸承可實現(xiàn)自潤滑。氮化硅陶瓷的密度只有軸承鋼的40 % ,熱膨脹系數(shù)只有軸承鋼的25%,彈性模量則是軸承鋼的 1.5 倍,硬度為鋼的2.3倍,氮化硅陶瓷還具有耐高溫、不導電、不導磁、導熱率低等一系列優(yōu)良特性 。陶瓷軸承和同規(guī)格、同一精度等級的鋼質(zhì)滾動軸承相比,速度可提高60%,溫升降低 35 - 60 % ,壽命可提高3 - 6倍。迄今,陶瓷滾動軸承的dmn可高達3.0 106，用其組裝的高速電主軸能夠兼得高速、高剛度、大功率、長壽命等優(yōu)點。4.2.1選擇混合陶瓷球軸承的理由公式角接觸球軸承在高速運轉(zhuǎn)時,為了抑制發(fā)熱,防止摩擦燒傷,主要是設法減小離心力和陀螺力矩。滾珠在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的離心力Fc可按下式計算:Fc =/12Db3 dm m2 式4-2式中:為滾珠材料的密度(kg/m3) Db 為滾珠的直徑(m) dm 滾珠軸承的節(jié)圓直徑(m) m 滾珠的公轉(zhuǎn)角速度(rad/s)由于滾珠自轉(zhuǎn)軸在空間不斷變化,因此,將產(chǎn)生繞水平軸的陀螺力矩Mgy : Mgy = Jm bsin 式4-3式中:b 為滾珠的自轉(zhuǎn)角速度( rad/s) ,為滾珠自轉(zhuǎn)軸與坐標平面的夾角, J