高速電機(jī)角接觸球軸承的應(yīng)用特點(diǎn)（下）

當(dāng)今高速電主軸，幾乎都是內(nèi)置異步交流異步電機(jī)。其優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造工藝比較成熟，便于安裝，特別是可使磁場(chǎng)衰減最大，且易于實(shí)現(xiàn)高速化。這種類型的主軸電機(jī)還在進(jìn)一步改進(jìn)，如日本三菱電機(jī)最近開發(fā)的高速高效的內(nèi)置感應(yīng)主軸電機(jī)，它可以降低電氣損耗，縮短定子長(zhǎng)度。

目前，國(guó)外正在研究將交流永磁同步電機(jī)內(nèi)嵌于電主軸中的問題。永磁同步電機(jī)與異步異步電機(jī)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：采用永磁材料制成的轉(zhuǎn)子，在工作時(shí)不會(huì)發(fā)熱，解決了目前異步電機(jī)內(nèi)置的轉(zhuǎn)子發(fā)熱和難以充分冷卻的問題；功率密度大，工作效率高，可以以較小的尺寸獲得較大的功率和扭矩；低速性能好，易于實(shí)現(xiàn)精密控制等。但PMSM也有其自身的缺點(diǎn)，功率容量有限，磁強(qiáng)弱差，不利于實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。因此，迄今，只有個(gè)別機(jī)床公司有內(nèi)置永磁同步電機(jī)的電動(dòng)主軸在展覽會(huì)上亮相，專業(yè)電動(dòng)主軸制造企業(yè)尚無此產(chǎn)品銷售。很多人認(rèn)為，對(duì)于在弱磁場(chǎng)下運(yùn)轉(zhuǎn)的高轉(zhuǎn)速電主軸，采用異步異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)更合適。

PWM變頻調(diào)速技術(shù)是目前實(shí)現(xiàn)電主軸高速化的主要手段，它同時(shí)具有普通變頻調(diào)速器和矢量控制驅(qū)動(dòng)兩大功能。前一種是恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，其輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比；后一種是恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，其輸出功率與額定轉(zhuǎn)速低時(shí)的恒功率和高速時(shí)的恒功率成正比。電主軸的高速加工中心與數(shù)控銑床的加工中心，基本上都采用后者(即矢量驅(qū)動(dòng))。另一個(gè)特點(diǎn)是矢量控制驅(qū)動(dòng)器具有開環(huán)和閉環(huán)兩種形式，閉環(huán)形式的主軸上裝有高性能編碼器作為檢測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)位置和速度的反饋，從而獲得較好的動(dòng)態(tài)性能，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)立式切削主軸的定向準(zhǔn)停和C軸功能。

高速主軸性能的好壞，在很大程度上取決于主軸軸承的潤(rùn)滑。滾動(dòng)式軸承剛度好，加工精度高，承載能力強(qiáng)，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，是普通切削機(jī)床的首選主軸，也是高速切削機(jī)床的首選。就高速性而言，以角接觸球軸承為主，圓柱滾子軸承為輔，圓錐滾子軸承為輔；

角接點(diǎn)球軸承的球(也就是滾珠)公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)都會(huì)產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。當(dāng)馬達(dá)主軸轉(zhuǎn)速增大時(shí)，離心力和陀螺力矩都會(huì)急劇增大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而引起軸承摩擦加劇，溫度升高，精度降低，壽命縮短。所以要想提高這種軸承的高速性能，應(yīng)該想辦法抑制它的Fc和Mg的增長(zhǎng)。由角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式可知，減小球材料的密度、球的直徑和球的角度對(duì)減小Fc和Mg都有好處，因此現(xiàn)在高速主軸多采用小球徑軸承，其接觸角為15°或20°。但是，球徑不能減得太多，基本上只能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更重要的是要對(duì)球徑材質(zhì)進(jìn)行改進(jìn)。

氮化硅(Si3N4)陶瓷的密度只有GCr15軸承鋼的41%，用氮化硅制造的球體輕得多，而且在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)自然產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也小得多。同時(shí)，氮化硅陶瓷具有比軸承鋼高1.5倍、比軸承鋼高2.3倍的彈性模量和比軸承鋼高25%的熱膨脹系數(shù)，既能提高軸承的剛度和壽命，又能使軸承的配合間隙在不同的溫升條件下變化不大，工作可靠，再加上陶瓷耐熱性強(qiáng)，不會(huì)與金屬產(chǎn)生粘連，顯然用氮化硅陶瓷制作的球體更適合高速旋轉(zhuǎn)。實(shí)際應(yīng)用表明，陶瓷球角觸頭軸承相對(duì)于相應(yīng)的鋼球軸承，速度可提高25%~35%，但價(jià)格也有所提高。

外圈為鋼制、內(nèi)圈為陶瓷制，國(guó)外統(tǒng)稱為混合軸承。當(dāng)前，混合軸承又有了新的發(fā)展：第一，陶瓷材料已經(jīng)被應(yīng)用于圓柱滾子軸承的滾子中，市場(chǎng)上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；第二，用不銹鋼制造的軸承內(nèi)圈取代軸承鋼制造的內(nèi)外圈，特別是內(nèi)圈，內(nèi)圈的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼低20%，因此在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，內(nèi)圈熱膨脹引起的接觸應(yīng)力增加的自然趨勢(shì)將被抑制。

油脂潤(rùn)滑是最簡(jiǎn)單、最環(huán)保的潤(rùn)滑之一。因?yàn)橛椭诔咚龠\(yùn)轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)，所以它的dmh值很低，當(dāng)軸承為鋼球時(shí)只有80×104，當(dāng)軸承為陶瓷球時(shí)可達(dá)到110×104(FAG公司開發(fā)的新一代低溫軸承，它的dmh值還可以再提高10%左右)。目前，高速主軸軸承最常用的是油氣潤(rùn)滑方式，即定時(shí)定量地向軸承供應(yīng)油—?dú)饣旌弦海馆S承的各個(gè)部分得到最佳的微量潤(rùn)滑，從而減少污染。鋼球或陶瓷球角接觸球軸承采用油氣潤(rùn)滑時(shí)，其dmh值一般可分別達(dá)到140×104和210×104，若采用較為特殊的油氣潤(rùn)滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的dmh值一般可達(dá)250×104或更高一點(diǎn)，屬于試驗(yàn)室中特殊油氣潤(rùn)滑方式，其dmh值可達(dá)280×104)。