高速切削机床主轴轴承的研究与发展
!郭 策，蒋书运，孙庆鸿，王金娥
（东南大学机械系，南京 !"##$%）
摘要：基于高速切削中高速机床主轴用轴承的运动机理，本文着重从润滑、密封、预紧等方面阐述了滚动轴承的研究与发 展，并明确了其与工程应用的关系。
关键词：高速主轴；轴承；预紧；润滑；密封
中图分类号：&’"!! 文献标识码：( 文章编号："##" ) *++"（!##!）% ) #"" ) *
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=">?-%)#：’257 ) E<00J E<24JC0；(03=245E；P=0C.3J；Q-K=2B3>2.4；603C245 快速发展起来的高速切削技术是上世纪机械制造
业的重要技术进步之一。由于其具有切削速度高、切 深小、进给快、运转平稳、效率高、切削过程散热快、
表面精度高、适合切削高硬度材料和以切代磨等独特 的优点，受到了工业界极大的关注，并已成为制造技 术发展的重要方向。
高速主轴是实现高速切削的重要条件，而轴承又 是主轴单元的核心部件，其性能好坏将直接影响主轴 单元的工作质量。由于速度的提高，轴承的温升、振 动和噪声等也将随之增大，而寿命将可能缩短。因此，
提高主轴转速的前提是研制开发出性能优越的高速主 轴轴承。
目前，在高速主轴单元中已采用的轴承有空气轴 承、静压轴承、动静压轴承、磁悬浮轴承、滚动轴承 等，由于它们各自的工作机理和特点，决定了它们各 自的最佳工作场合。因此，有必要对它们进行深入研 究，以便为主轴单元中的轴承设计提供更有力的依据。
! 轴承类型
（"）空气轴承及静压轴承
空气轴承采用空气冷却和气膜支承，运转平滑，
由于气体的粘度小，允许在摩擦损耗不大、润滑剂和 支承的温升不高的情况下实现高速旋转。因此，特别 适合做高速回转副的支承元件，但由于受到能承受的 切削载荷及过载能力较小的限制，在机床结构中，通 常适宜于应用在高速内圆磨床磨轴的轴承（"#R= S ?24 以上）上。
静压轴承则由于摩擦热及有关功率损失而使转速 受到限制，但由于通过静压原理润滑轴承而使轴承润 滑系统相对简单，因此，在机床主轴支承中也有一定 的应用。
（!）动静压轴承
动静压混合轴承采用流体动力和流体静力相结合 的方法，同时利用高压油的静压作用和轴转动引起的 动压效应来形成油膜，使主轴在油膜支撑中旋转，它 在运转时既利用动压又利用静压来承载，既发挥了高 速时的动压效应又利用了低速和高速时优良的静压效 应，因而兼有动压和静压轴承的优点：径向和轴向跳 动精度高、刚性好、阻尼特性好、粗精加工均适用、
轴承寿命无限长等优点。但这种轴承必须根据具体机 床进行专门设计，单独生产，因此，标准化程度低，
维护保养也困难。
（*）磁悬浮轴承
磁悬浮轴承是由电磁力将主轴无机械接触地悬浮 起来的新型智能化轴承。其转子与定子之间无任何接 触，工作中完全无磨损，精度高，温升小，无振动和 噪声，因此允许的最高转速可比球轴承高 " T U 倍，最 大线速度可 达 *##? S E。并能进行实时诊断和在线监 控，是高速加工机床主轴比较理想的支承元件。但磁 悬浮轴承的磁材料性能和控制系统目前尚有许多课题 亟待研究和解决［"R］。
（U）滚动轴承
用于高速主轴的滚动轴承有圆柱滚子轴承、圆锥 滚子轴承和角接触球轴承等，其中又以角接触球轴承 应用最多。国外高速主轴上用的一种角接触球轴承结 构如图 " 所示，它的特点是：外圈引导保持架含有酚 醛树脂，采用织物层压加固结构，因而重量轻［"%］，精 度高，一般为 V(D/—W 级（美国标准）或更高。轴承 制造商可控制内外圈滚道相对轴承端面的位置，使装 配好的轴承内圈凸出，如图 ! 所示。这种轴承一般成 对使用，可“X”型布置或“Y”型布置，然后通过主
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《机床与液压》!##!M H.M%
! 江苏省十五重大攻关项目资助（(D!##"#%+）
万方数据
轴或轴承端盖上的锁紧螺母使内圈（“!”型布置）或 外圈（“"”型布置）对齐，实现预紧，如图 # 和 $ 所 示。轴承接触角有 %&’和 (&’两种。%&’接触角的轴承转 速可更高。
图 % 轴承结构 图 ( 内圈凸出
图 # 轴承“!”型布置 ) 预紧
图 $ 轴承“"”型布置 ) 预紧
近 年 来， 国 外 又 开 发 出 一 种 新 型 角 接 触 球 轴 承［%*］，它的外形尺寸同标准轴承，滚珠小，数量多，
因此，提高了轴承刚度和转速，可比标准轴承转速提 高 #+, - $+,，但其承载能力略低。若采用弹性预紧，
“!”型布局，其最高转速可达 %*+++. / 012，而温升只 有 %34$5［%*］。
此外，目前在高速主轴上还常常使用混合陶瓷球 轴承，即滚动体使用陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。常 用陶瓷材料是氮化硅（61#7$），与轴承钢（89.%&）相 比，61#7$具有密度小、弹性模量大、硬度大、热膨胀 系数小、耐高温、不导电、不导磁、导热率低等一系 列优良特性。因而陶瓷球轴承具有高速、高刚度、低 温升、长 寿 命 的 优 点，它 的 !"# 值 现 已 超 过 (4: ;
%+*［3］，目前在高速主轴中的应用越来越多。
! 滚动轴承的润滑方式
滚动轴承在运转过程中都要进行润滑，以减小轴 承内部摩擦与磨损，防止烧粘，延长疲劳寿命，排出 摩擦热并冷却。滚动轴承的润滑有油脂、油雾、油 ) 气和喷射等润滑方式。
（%）油脂润滑
滚动轴承可用脂润滑，是它的突出优点之一。当 滚动轴承的 !"# 较低时可用脂润滑。脂润滑不需要供 油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、
洁净、密封良好，则脂的使用寿命会很长，一次充脂 可以使用到大修，不需中途补充。因此，结构上不必 设计加脂孔。
润滑脂可选用锂基脂如 6<= >8>?( 号（常用于球 轴承）或钡基脂如 <@ABC. DEFGC 7HI%&（常用于滚子轴
承）［&］。
（(）油雾润滑
如果滚动轴承的 !"# 值较高时，则轴承不仅需要 润滑还需冷却。此时可采用油雾润滑或油气润滑。
油雾润滑以压缩空气为动力，通过油雾器，使油 液雾化并混入空气流中，然后输送到需要润滑的地方。
通常当轴承的 !"# 在 +43 ; %+*- %43 ; %+*00・. / 012 范 围，或转速为 %(++ - %( ; %+$. / 012 的高速主轴一般均 采用油雾润滑。
油雾润滑能获得良好而均匀的润滑效果，压缩空 气不仅输送油雾，还能带走摩擦产生的热量，大大降 低摩擦副的工作温度，又因油雾润滑大幅度降低润滑 油的消耗量，从而减少了因搅拌而引起的发热；此外，
油雾润滑具有一定的压力，因此可以起到良好的密封 作用。
在采用油雾润滑时要注意：输送油雾的压缩空气 必须干燥洁净，在气源输入气源“三大件”之前应用 冷却器、油水分离器、冷冻式干燥机等进行干燥和净 化处理；油雾器输出的油雾颗粒必须微小，油雾在管 道中应以干雾的形式输送。对高速主轴，油雾器应采 用机械油雾器。
（#）油 ) 气润滑
油 ) 气集中润滑系统是最近发展起来的一种所需 油量最少的新技术，润滑剂消耗量是油雾润滑量的 % /
%+，被称为理性润滑方法，能确保润滑的高效性及降 低磨损，尤其适用于高速旋转的滚动轴承。
油 ) 气集中润滑系统是将具有一定压力的压缩空 气和润滑油混合后，形成条纹状油液微滴，进入轴承 内部摩擦区域进行润滑。要求所形成的润滑油膜不能 太厚，最好选择比样本提供的参考粘度值大 & - %+ 倍 的润 滑 油， 以 确 保 有 良 好 的 粘 度 和 润 滑 性 能。 如 D6!J8#( - D6!J8%++ 导轨油是比较理想的 润 滑 油［%(］； 在重载条件下还可选用耐高压含有添加剂的油。压缩 空气必须干燥，且过滤精度不大于 #!0，空气压力必 须与流量、管路长度、管路内径、轴承的内压力损失 相匹配。润滑油量要在估算值基础上扩大 $ - (+ 倍，
必要时还要通过实验修正来获得最佳润滑效果。
轴承的供油方式取决于轴承类型和配置方式。对 单列轴承而言，最佳润滑方式为从一边进入轴承内部，
喷嘴孔应与内环齐平，不能指向保持架；对双列轴承 而言，润滑油必须从与外圈滚道边齐平的地方喷入轴 承内部以对轴承充分润滑。
油气润滑与油雾润滑相比，由于使用大量空气冷 却轴承，轴承温升比油雾润滑时低，因此允许轴承的
!"# 值可更高，一般用 于 !"# K %+* 的高速轴承。此
外，油气润滑的油不雾化，用后可回收，不象油雾润
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万方数据
滑会污染环境。
（!）喷射润滑
这种润滑方式是用油泵，通过位于轴承内圈和保 持架中心之间的一个或几个口径为 "#$ % &’’ 的喷嘴，
以一定的压力，将流量 ( $""’) * ’+, 的润滑油喷射到 轴承上，使之穿过轴承内部，经轴承另一端流入油槽，
达到对轴承润滑和冷却的目的。
当轴承高速旋转时，滚动体和保持架也以相当高 的速度旋转，并使其周围空气形成气流，这样用一般 润滑方法就很难将润滑油输入到轴承中。这时就必须 要用高压喷射的方法，才能将润滑油送到预定的区域。
这种润滑方式通常用于 !"# ( &#- . &"-并承受重负荷 的轴承。
当使用喷射润滑时，润滑油量与轴承内径有关，
喷嘴直径与喷射压力的选择可参考有关技术图表。
! 轴承密封
轴承的密封对轴承使用寿命的影响很大，特别是 主轴前端轴承的密封更为重要。高速回转的轴承为了 防止发热量过大，密封装置应是非接触式的。为此，
可选用带甩油环的非接触式迷宫密封。甩油环可带走 大量杂质和切削液，主轴轴颈与端盖轴孔应留有游隙，
一般采用间隙配合 /0 * 12，轴向游隙至少 3’’［&-］。这 样，润滑脂或冷却液就可以快速地进出轴承油室，快 速冷却轴承。
" 轴承预紧
大多数高速主轴轴承都应在过盈状态下工作，使 滚动体与滚道之间有一定的预变形，即轴承的预紧，
以达到提高轴系回转精度、轴承刚度和有效改善轴承 热稳定性的目的。
轴承的预紧通常包括预紧方式的选择和预紧量值 的确定。
在高 !"# 值（ !"# ( &"$）场合下，应优先考虑用
弹性零件加载的定压预紧方式，而不宜采用刚性零件 加载的定位预紧方式。因为在后一种情况下，轴承在 高速运转时的工作（动态）预紧力会明显地大于静止 时的初始（静态）预紧力，容易造成轴承运转中发热 过多，精度下降。
轴承预紧力的大小也必须加以控制。因为轴承间 隙过小，轴承回转会产生太多的热量或精度会因发热 磨损等因素有所下降；间隙过大，则由于个别滚子的 受力变形磨损增加，寿命缩短。因此，对高速轴承，
有学者提出最佳预紧力的计算方法。该方法建立在旋 转轴振动理论和高速球轴承刚度理论基础上，通过求 解主轴的固有频率以及球轴承弹性变形能对位移的二 次求导，建立预紧力与轴承刚度之间的关系［-］：
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式中：$& 表示外沟曲率半径系数；() 表示轴承径向刚
度；%"表示预紧力；$5表示内沟曲率半径系数；+ 表示轴
承中的钢球数目；(,表示 ,4)56 常量；"表示钢球陀螺滑 动摩擦系数；!"表示轴承原始接触角；./表示钢球直 径；总曲率半径系数 - * $& 1 $5 ’ &
钢球惯性离心力 %0 * "#$"7・ !"・#50
其中："7为钢球质量；!"为轴承节圆直径；#0为钢球公 转角速度。
用数值迭代法进行求解，即可获得轴承最佳预紧 力。这种方法确定的最佳预紧力能确保：高速主轴转 子不发生共振；轴承在高速运转时的刚度恰为所需的 最小值；轴承在主轴高速运转过程中，其工作寿命最 长［-］。
# 结束语
随着主轴转速的提高，轴承高速化显得越来越重 要。目前，由于角接触球轴承能够同时承受轴向和径 向载荷，在适当的安装配置下也可承受一定的力矩载 荷，并适用于高速运转，因此，高速主轴中广泛采用 角接触球轴承。而提高这种轴承速度性能的主要途径 有：增加轴向预负荷、减小球直径、减小接触角、用 低密度材料、优化几何参数获得外圈控制、良好的润 滑和清洁度等。
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（下转第 50 页）
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万方数据
会化、集成化、并行化、智能化、产业化方向发展［!］。 未来可能的研究方法有：（"）模块化设计；（#）神经 网络和模糊数学的应用；（!）公理化设计；（$）虚拟 拆卸［%］。
人们提出了绿色设计发展体系，其中关键是绿色 产品设计评价体系的完善，对产品从设计、制造、包 装、运输、报废整个生命周期中每一个环节对环境影 响作出评价，并且要在整个生命周期中、集成环境下 建立绿色产品的评价体系［$］。同时，要研究开发先进 制造技术，以及与之相匹配的先进制造模式，大力开 发低污染、低能耗、无公害的生产工艺与最终产品。
研究开发适合绿色设计和制造需要的数据库和信 息系统，例如，材料数据库、制造数据库、&’( 数据 库及各种知识库，开发绿色产品设计和实施绿色制造 的支撑软件［"$］。
)*+ 规则中的“绿色壁垒”虽有一些大国为限制 发展中国家贸易借口的因素，但其积极意义不言而喻，
我国的机械行业要在世界贸易中站住脚，“绿色”水平 的高低至关重要。因此，能否在绿色设计与制造方面 有所作为，不再是一个间接的或长远的效益问题，而 是一个直接的效益问题。
必须加强对企业的“绿色”教育，完善政府部门 对企业绿色制造的监督机制，加强立法和行政规定以 及相关的经济政策［",］。建立较为系统的绿色制造理论 和方法体系，促进和指导绿色设计和制造技术的深入 研究和学科发展。
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作者简介：董晓英，女，$0 岁，河北秦皇岛人，江苏常 州技术师范学院机械工程系副教授。从事于 ’(M、’(:、’(N
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