孙涛，秦录芳
（徐州工程学院机电工程学院，江苏徐州221008
摘要：对电主轴单元中轴承的结构设计进行讨论，分析了轴承在满足一定性能前提下，其设计的步骤和方法：对其设计的内容，包括轴承的选择、轴承预加载荷的确定、轴承润滑方式的选择进行了介绍.
中图分类号：TH133.3 文献标识码：A
文章编号：1002-2333 2008) 06-0006-02
Structure Design of Motorized Spindle Bearing SUN Tao QIN Lu-fang
(Xuzhou Institute of Technology Xuzhou 221008 China
Abstract: The paper analyses the steps and methods of motorized spindle bearing design on the preconditions of Sujeaq au sanpou a Bueaq apudis pezuu jo uisp aunngs Suissnosp fq auad ujeuao Bugaaugegn jo uoelas pue peogaud uueaq au jo uogeuaap uoaas ueaq au apnu seu suauo peugisapBuueeq apuids u]
K ey words: motorized spindle; bearing preloadf lubrication
其电动机转子与主轴是一体的，无中间传动环节，使其具 电主轴由于采用内置式交流高频电动机直接驱动，有运动部件质量小、运动惯性小、高运动速度和高加速度等特点，已大量应用于并联运动机床及高速切削机床中.
采用减少滚珠直径和选用轻质材料来制造滚珠这两种方 为了减少离心力和陀螺力矩，根据以上两公式，通常法.滚珠直径的减少会降低轴承刚度，且结构形式复杂，现用氮化硅陶瓷材料取代轴承钢制成滚动轴承的滚动体，称为陶瓷轴承.
统.电主轴的设计，通常要针对一定的主轴性能要求，包 电主轴是高速机床的心脏“部件，是一个复杂的系括回转精度、动平衡精度、转速、变速范围、套筒温升、噪的内容，本文主要从轴承设计的几个侧重点进行介绍. 声、刚度、振动速度和使用寿命值等，其设计包括多方面
与钢质球相比，陶瓷球具有诸多优点：质量轻，材料密度仅为3.218×10kg/cm，只相当于钢球的40%；弹性模量高，E=3.22×10?MPa为钢球的1.5倍：线膨脉系数低， α=3.2×109°C 约为钢球的25%；硬度高，能达到HV1600-1700 约为钢球的2.3倍：同时还具有耐高温、不导电、不导磁、导热率低等一系列优良特性.陶瓷轴承和同规格、同一精度等级的钢质滚动轴承相比，虽然价格约为钢质 球轴承的2-2.5倍，但速度可提高60%，温升降低35%~60%，寿命可提高3-6倍，可见其性能价格比高.
1轴承的选择
电主轴的轴承应满足高速运动的要求，具有较高的向精度、足够的承载能力等.目前在高速主轴单元采用较 回转精度和较低的温升，同时具有尽可能高的轴向和径多的支承轴承主要有：陶瓷轴承，动静压轴承和磁浮轴承.1.1轴承型式的确定
圆直径，n：主轴转速）可高达3.0x10由于陶瓷轴承采用小 迄今，陶瓷滚动轴承允许的工作极限dd：轴承节直径密珠精密钢轴承的结构形式和尺寸系列，同时因其结构简单、成本低、刚度大、高速性好、使用维护方便，国内外广泛选用混合陶瓷球滚动轴承作为支承方式.当前或在相 当长一段时间里，仍然是电主轴的首选主轴部件.
（1陶瓷轴承：由于滚珠轴承在运转过程中，滚珠既有自转又有公转，会产生离心力和陀螺力矩.计算公式如下：
(1)
式中：p滚珠材料的密度，kg/m:D-滚珠的直径，m dr滚珠轴承的节圆直径，mur滚珠的公转角速度，rad/s.
（2动静压轴承：动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油模油膜轴承，避免了静压轴 承高速下发热严重和供油系统庞大复杂，克服了动压轴承启动和停止时可能发生的干摩擦的弱点，有很好的高速性能，而且调速范围宽，它结构紧凑，动、静态刚度较超高速主轴单元中应用较少. 高，但其价格较高，使用维护较为复杂，标准化程度低，在
( 2)
式中：J-滚珠的转动惯量，kgm;w-滚珠的自转速度，rad/s:β-滚珠自转轴与坐标平面之间的夹角，rad
转速的平方成正比，滚珠的陀螺力矩与其自转速度和轴 通过式1、式2可以发现，滚珠的离心力与其轴承承转速的乘积成正比.随着轴承转速的提高，滚珠将产生巨大的离心力和陀螺力矩，会对轴承产生很大的接触应力，加剧轴承的温升和磨损，降低轴承的使用寿命中.
（3磁浮轴承：磁浮轴承是利用多副在圆周上互为180°可控电磁铁产生径向方向相反的吸力，将主轴悬浮
于空间，使轴颈与轴承之间没有机械接触的一种新型高性能轴承.由于不存在机械接触，转轴可达到极高的回转精度、较高的转速和较大的功率，同时具有温升低、无需 润滑、无油污染、寿命长等优点.又由于碰浮轴承轴心的位置通过电子控制系统进行自动调节，故主轴刚度和阻尼可调，并可自动动平衡，从而将振动降至很低，使 其噪声小.由于磁浮轴承价格昂贵，控制系统复杂，长期以来没有在超高速主轴单元上大面积推广，现已有成熟的产品供应，具有很大的发展前景.
温升和延长疲劳寿命.但预加负荷过大，会加剧轴承的摩擦，使温升迅速提高，可能造成烧伤，降低使用寿命.
立制作预紧力补偿装置）两种方法来实现预加负荷的控 一般采用改变轴承结构和采用预紧力补偿原理（独制.对于第一种方法，当在转速不太高和变速范围比较小的情况下，采用刚性预加负荷改变内外隔圈或轴承内外 环的宽度尺寸差）来施加预加载荷，其预加载荷会随轴系零件发热而变化：当转速较高和变速范围比较大的情况下，采用弹性预加载荷装置用适当的弹簧），可减少温度效，操作方使，但电主轴一旦装配完成后，其预加载荷大 和速度对预加载荷的影响.这种方法，控制预紧力十分有小无法调整，当轴承出现磨损时，更换轴承势必要重新调整整个控制系统，这将给用户的维修带来很多不使.对于使用性能和使用寿命要求较高的电主轴，可采用第二种 方法，自行设计和制造可调整预加载荷的装置.
1.2轴承种类及配置形式的选择
（1）轴承种类的确定
机床主轴轴承常见的类型有深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、圆锥滚子轴承以及推力球轴承等.其中，角接触球轴承制造精度 高、极限转速高、承载能力强，能同时承受径向和一个方向的轴向载荷.因此，广泛地应用于高速机床主轴的支承中.高速角接触球轴承通常采用15°和25°接触角.
有研究表明，组配轴承存在最佳预载荷值，其值与多种因素有关.因此，在决定最佳预载荷时，应综合考虑轴 承的组配方式、工作转速、系统刚性及寿命等因素，反复试验方可最终确定.
角接触球轴承能承受径向和一个方向的轴向载荷，在径向载荷作用下，轴承内部产生一个沿轴向方向作用的力，必须有另一相对的外力预加载荷）来平衡.另外.联、甚至多联的配对方式口. 为提高主轴系统的支承刚度，机床主轴轴承通常采用双
3轴承润滑方式的确定
温升，来保证机床工艺系统的精度和稳定性.润滑方式的 超高速主轴必须采用正确的润滑方式来控制轴承的选择与轴承的转速、负荷、容许温升及轴承类型有关，可按dn值选取.超高速主轴中，dn值较高，通常选用不同 形式的油润滑，常用的形式有：油雾润滑、油气润滑、喷射润滑、环下润滑等.
（2轴承配置形式的确定
中，图1a前后轴承均采用角接触球轴承，背对背，常适 电主轴一般常采用如图1所示的几种配置方式.其用于负荷较小的磨削用电主轴：图1前轴承采用两个角接触球轴承，反向组配，后轴承采用陶瓷圆柱混合轴承，适应于高速，既提高了刚度，又简化了结构.除此之 外，还应适当减少前后支承的跨距，以增加系统刚度.
表1吾种不同润滑方式的比较1S
油款风 油气误素 射润 环下河d量 写低 高猫承湿升高 最特点密封简单，冷不要量人，片条人，无污染，能运到量小量大，摩擦损限大，居国油生轴短有重杂用连通用通 却性能素， 环境，成本低，治量润]，适本较高，本塞不其用于立式主轴. 得少采用 广泛采用 少采用
无须润清装重，灰全和结附爱发尘和切限液不感侵加空和域制液不侵人，用油河滑装重与主
n(a) (b)DO(e) (d)DO(e) (f)
电主轴轴承的设计除以上所讨论的内容外，还包括主轴与电机转子间的配合、主轴轴颈尺寸的确定等，设计 过程中还需进行主轴系统的静、动态特性分析与处理，轴承受力分析，轴承静刚度的计算，轴承轴向预紧后的刚度计算等工作，以保证轴承满足设计要求.
[参考文献
[1张伯霖，杨庆东，陈长年，高速切削技术及应用M.北京：机械[2昌情刚高速电主轴振动控制技术研究D南京：东南大学，2006 工业出版社 2003.[3姜留峰，高速机床主轴轴承及其应用J1.轴承，20023：1-4[4 周延佑，李中行，电主轴的基本梦数与结构一X1.制造技术与 机床，20037：64-67.[5索景美，黄红武，等，超高通电主轴结构综述U]，精密制造与自动 代化. 2002. 115 3 : 4- 8. (编辑启迪）
图1电主轴常用轴承配置形式
2轴承预加载荷的选择
对于采用角接触球轴承的，必须在轴向给轴承施加一游隙，抑制滚动体的旋转滑动，减小高速旋转时轴承滚动体 定的预加负荷，合适的预加负荷不仅可以消除轴承的轴向与内外圈滚道接触角的变化，影响整个系统的阻尼特性，从而提高轴承刚度和旋转精度外，还可以降低振动噪声、抑制
作者简介：孙液1980-），男，兰州理工大学在读硕士研究生，助教，研究方向为机电一体化.收稿日期:2008-03-24
