合肥工业大学
硕士学位论文
高速机床主轴用陶瓷轴承动态性能研究
姓名：王玉金
申请学位级别：硕士
专业：机械工程
指导教师：赵韩;罗继伟
20040401
高速机床主轴用陶瓷轴承动态性能研究
摘要
本文以混合陶瓷球轴承为研究对象，进行了高速球轴承的拟动力学分析，建立了可用于陶瓷球轴承和全钢制轴承的拟动力学分析模型，预测各种动态性能。分析模型中考虑了高速角接触球轴承特有的各种惯性力及轴承各种结构元素之间的相互作用以及润滑剂与轴承零件的相互作用和游隙的影响等，建立了拟动力学物理模型和平衡关系，形成并求解６ｎ＋８个方程。根据模型，利用ＶＢ和ＦＯＲＴＲＡＮ７７，开发了高速陶瓷球轴承的拟动力学分析程序。该程序不仅能够计算出轴承的变形、刚度、发热率、摩擦力矩等动态性能参数，也能计算轴承内部的载荷分布、离心力、陀螺力矩等内容。以典型产品Ｂ７００５Ｃ／ＨＱｌＰ４为例，分析了油雾润滑情况下的轴承的各种动态性能，并用自行开发的高速电主轴进行不同转速、不同载荷、不同润滑条件和超高速下（ｄｍ－Ｎ值２．８８ｘ１０６ｍｒｎ‘ｒ／ｍｉｎ）动态性能试验，通过试验确定了最佳的保持架兜孔间隙和引导间隙，为超高速机床主轴轴承设计提供了依据。
关键词：高速陶瓷球轴承拟动力学性能分析
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｙｎａｍｉｃＣｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＣｅｒａｍｉｃＨｙｂｒｉｄ
ＢａｌｌＢｅａｒｉｎｇｓｆｏｒＨｉｇｈ－ＳｐｅｅｄＳｐｉｎｄｌｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｃｅｒａｍｉｃｈｙｂｒｉｄｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇａｓａｎｏｂｊｅｃｔｏｆｓｔｕｄｙ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｄｙｎａｍｉｃｓｏｎｈｉ９１１ｓｐｅｅｄｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇｉｓａｎａｌｙｚｅｄ；ａｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｍｏｄｅｌｕｓｅｄｆｏｒｈｙｂｒｉｄｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇｓａｎｄｆｕｌｌｓｔｅｅｌｍａｄｅｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇｓｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｆｏｒｅｃａｓｔｖａｒｉｏｕｓｂｅａｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ．Ｂａｓｅｄｏｎｖａｒｉｏｕｓｉｎｅｒｔｉａｆｏｒｃｅｓｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄａｎｇｕｌａｒｃｏｎｔａｃｔｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇｓａｎｄｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙａｍｏｎｇａｌｌｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ａｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｙｎａｍｉｃｓｐａｙｓｉｃｓｍｏｄｅｌｉｓｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｎｄ６ｎ＋８ｅｑｕａｔｉｏｎｓａｒｅｃｉｔｅｄａｎｄｓｏｌｖｅｄｏｕｔ．Ｔｈｅｒｅｃｉｐｒｏｃｉｔｙｂｅｔｗｅｅｎｌｕｂｒｉｃａｎｔａｎｄｂｅａｒｉｎｇｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｎｄｒａｄｉａｌｐｌａｙａｒｅａｌｓｏｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｍｏｄｅｌ，ｗｉｔｈｔｈｅｈｅｌｐｏｆＶＢａｎｄＦＯＲＴＲＡＮ７７，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄｄｙｎａｍｉｃｓａｎａｌｙｓｉｓｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｆｏｒｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｃｅｒａｍｉｃｂａｌｌｂｅａｒｉｎｇｓａｒｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄｏｕｔ．Ｂｙｗｈｉｃｈ，ａｌｌｏｆｔｈｅｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｓｕｃｈａｓｂｅａｒｉｎｇ’Ｓｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ，ｒｉｇｉｄｉｔｙ，ｈｅａｔｉｎｇｒａｔｉｏａｎｄｆｒｉｃｔｉｏｎｔｏｒｑｕｅ，ｅｔｃ．，ｃａｎｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＡｔｔｈｅｓａｌＤ．ｅｔｉｍｅ，ｔｈｅｌｏａｄｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｉｎｂｅａｒｉｎｇｉｎｔｅｒｉｏｒ，ｃｅｎｔｒｉｆｕｇａｌ，ｔｏｐｔｏｒｑｕｅＣａｎａｌｓｏｂｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ａｓａｔｙｐｉｃａｌｅｘａｍｐｌｅ，ｔｈｅｖａｒｉｅｔｙｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｏｆＢ７００５Ｃ／ＨＱｌＰ４ｂｅａｒｉｎｇａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｎｄｅｒｔｈｅｏｉｌｍｉｓｔｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ．Ｕｓｉｎｇｏｕｒｏｗｎｄｅｖｅｌｏｐｅｄｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｐｉｎｄｌｅ，ｔｈｅｔｅｓｔｓｆｏｒｂｅａｒｉｎｇｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｒｅｔａｋｅｎｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｏａｄ，ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎａｎｄｓｕｐｅｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｓｔｉｎｇ，ｔｈｅｂｅｓｔｃａｇｅｐｏｃｋｅｔｃｌｅａｒａｎｃｅａｎｄｇｕｉｄｅｃｌｅａｒａｎｃｅａｒｅｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｐｒｏｖｉｄｅｓｂａｓｉｓｆｏｒｓｕｐｅｒｈｉ：ｇｈｓｐｅｅｄｍａｃｈｉｎｅｔｏｏｌｂｅａｔｉｎｇｓｄｅｓｉｇｎ．
Ｋｅｙ＇ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ，ｃｅｒａｍｉｃｂａｌｉｂｅａｒｉｎｇ，ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅｄｙｎａｍｉｃｓ，ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅａｎａｌｙｓｉｓ
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得盒目ｇ王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。
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致谢
在研究过程中，始终得到了赵韩教授和罗继伟教授的悉心指导和帮助。两位导师严谨的治学态度、渊博的知识及不断进取的精神让我深深的敬佩。特别感谢姜韶峰高工、王大力高工、梁波教授、王景华教授、张永乾教授在课题研究中给予的帮助和卓有成效的讨论，王卫国工程师，徐浩工程师承担了许多具体的试验工作，裴翠红工程师设计了课题用高速电主轴。在此，我对以上诸位老师和同事给予的帮助表示深深的敬意和衷心的感谢！
在此，还要特别感谢朱红教授，李旗号教授、陈科博士、张利教授和合肥工业大学的各位授课老师，感谢诸位老师在我攻读学位期间给予的指导与帮助，感谢诸位老师对洛阳工程硕士班的支持。
作者
２００４
ａ．ＮＳＫ公司的ＢＮＲ和ＢＥＲ系列轴承
ｂ．ＦＡＧ公司的ＤＬＲ系列轴承
图卜１超高速超精密混合陶瓷球轴承
ａ．ＳＮＦＡ公司Ｈ１（通过外圈直接润滑一ＬｕｌｒｉｃａｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈＯｕｔｅｒＲｉｎｇ）技术系统
２
ｂ．ＮＳＫ公司旋转溅身（Ｓｐｉｎｓｈｏｔ“）供油技术系统
图卜２超高速轴承润滑系统结构示意图
润滑是保证轴承高速性的一个最重要的条件之一，一般认为ｄｍ?Ｎ值大于０．８×１０６ｍｍ?ｒ／ｍｉｎ属于高速轴承，应采用油雾润滑，ｄｍ?Ｎ值大于２×１０６ｍｍ?ｒ／ｍｉｎ应采用油气润滑““，当ｄｍ?Ｎ超过１．５×１０６ｍｍ?ｒ／ｍｉｎ，润滑技术和润滑装置则成为一种保障轴承动作的必备条件，并成为各轴承公司的专有技术，ＦＡＧ公司推荐采用全耗油润滑技术（Ｔｈｒｏｕｇｈａｗａｙｌｕｂｒｉｃａｔｉｏｎ）““，ＳＮＦＡ推荐采用Ｈ１润滑技术“…，其主要特点是通过在轴承外圈上开润滑油孔而使润滑油直接进入轴承钢球与滚道的接触区（图卜２ａ）。ＮＳＫ则采用Ｓｐｉｎｓｈｏｔ“润滑系统“”（图卜２ｂ），其工作原理是在轴承旋转内圈上，安装带供油孔的旋转垫片，（旋转溅射供油系统，并申请了专利）垫片外侧开环形油道，再与外圈垫片上的供油腔形成供油通道，这样就可与油气润滑供应装置一起构成一个完整的油气润滑旋转溅射供油系统。采用Ｈ１技术和Ｓｐｉｎｓｈｏｔ供油技术后，轴承的ｄｍ?Ｎ值可达到２．５×１０６唧?ｒ／ｍｉｎ。
高速轴承应用技术近年来受到了越来越广泛的重视，为了避免轴承初始急剧温升，保持轴承持续低摩擦、恒冈０度，又发展了带液压挡边自动反馈补偿的可控预紧力的定压预紧轴承，如Ｔｉｍｋｅｎ公司的ＨＲ系列轴承“”。“。并对高速下轴承的配置和预紧形式进行了分析研究０１，给出了不同类型机床高速下主轴轴承的典型配置形式，分析了不同配置形式下的预紧方式与预紧力。”ｏ”ｏ“。
高速轴承的这些实用技术进步，大都依赖于高速轴承动态性能研究与分析技术，反过来，这些实用技术所取得的应用与实验结果又证实或修正了高速轴承动态分析的结论，从而使高速轴承工程技术不断向前发展。
１．２高速角接触球轴承动态性能分析研究现状
高速轴承理论与动态性能分析研究技术是滚动轴承核心技术之一，历来受到业界广泛的关注，并进行了持续不断的研究，取得了很多成果。
上世纪六十年代以前，人们首先用静力学理论对轴承进行设计与性能分析，此时，只考虑轴承静止时的载荷分布，轴承设计以内外滚道与钢球接触副基本
及与滚动体和保持架有关的不稳定性的实时模拟。轴承各零件的运动微分方程在固定坐标系中给出，模型考虑了球和套圈沟道间的滑动，同时考虑了球、沟道对保持架的每次碰撞时进行的积分和在内、外套圈沟道上每一接触点上球的拖动力、滑动力进行的积分，以及求解每个球上随时间变化的赫兹接触应力。尽管Ｇｕｐｔａ的这种方法计算量大，然而通过其模型，编制计算机程序能较准确地对球和保持架的动态性能进行分析。
１．３高速陶瓷球轴承动态性能研究的意义及课题背景
自从美国ＮＡＳＡ公司１９７２年研制成功第一套陶瓷轴承开始，世界上各工业强国就一直在竞争开发、研制新一代更高性能的陶瓷轴承。大致经历了３个阶段：（１）探索哪种陶瓷适合作为轴承材料，并初步探索出用氮化硅作轴承材料有广泛前景…３。（２）通过大量试验探索用热压氮化硅滚动体代替钢制滚动体后给轴承性能带来的影响，并预测混合陶瓷轴承的使用寿命∞１。（３）在试验基础上研究全陶瓷轴承的性能，进一步完善对混合轴承性能的研究，使它在实际工业化中得到初步应用，同时，还投入大量精力对陶瓷轴承的设计理论进行研究。从结果来看，最突出的效果是提高了轴承的使用寿命和极限转速，为发展高速、高精密机床提供基础零件…１［４１］ｏ
目前世界各国生产、研究和销售陶瓷球轴承的公司很多，如ＳＫＦ、ＦＡＧ、ＮＳＫ、ＴＴＣ（东芝硬质合金珠式会社），ＮＴＫ（日本特殊陶业株式会社），ＫＯＹＯ和ＴＯＲＴＯＮ等公司。ＮＳＫ公司从７０年代末开始对陶瓷轴承展开全面系统的研究，为开发跨世纪高科技产品一陶瓷轴承，开展轴承基础性能的研究（陶瓷轴承的摩擦学特性、疲劳强度和耐磨性等），陶瓷轴承应用开发研究（在工业部门急需的高速、高精密轴承、高温轴承、专用装备轴承）和陶瓷球毛坯制造技术的研究。在陶瓷球轴承的应用研究方面公司每年投入４５万美元研究经费。应用研究历来被列为该公司的重点投入计划。为保证陶瓷球内在质量，对高纯、超细氮化硅粉末也进行了研究。结论是粒度在０．１～Ｏ．５ｐｍ，ｎ相含量大于９０％。该公司提出了评定粉末质量的内控标准主，综合考虑粉末粒度、均匀性、杂质含量（纯洁度）、ａ相含量、颜色和形貌等。这些指标对我国从事氮化硅粉杯研究和生产的单位是有借鉴作用的。对于氮化硅制品的成型及烧结工艺也进行了大量试验，通过其目标是达到可工业化生产（降低成本），同时材质符合轴承设计技术要求与通用的陶瓷轴承工艺进行比较，最后选择认为是最佳工艺进行毛坯球的制造。目前常用的陶瓷球制造工艺有：反应烧结（ＲＳ）、二次烧结、常压烧结（ＰＳ）、气压烧结（ＧＰＳ）、热压烧结（ＨＰ）、热等静压烧结（ＨＩＰ）、超高压烧结、冲击加压烧结（ｓ）等。ＮＳＫ公司认为气压烧结具有密度高、高温强度高，可工业化生产等特点。而热等静压烧结工艺的成本高、技术工艺复杂、批量生产困难。但球坏质量优异，该工艺为美所采用。为克服陶瓷轴承价高（早期陶瓷球１００美
元／粒，目前为１～２美元／粒）、缺陷难以发现和控制而影响使用可靠性的问题，ＮＳＫ公司对加压烧结毛坯球有严格的质量控制体系，为大批量生产创造了条件上。
陶瓷球的磨削加工，早期采用氮化硅板材或棒材进行金刚石切割、打磨，无疑成本昂贵。有关陶瓷球精加工技术资料很少见。ＦＡＧ公司磨球采用的磨料为碳化硅、碳化硼、氧化铝、人造金刚石和天然金刚石，磨球盘采用高硬度合金铸铁以及砂轮磨盘。美国陶瓷球加工方法与我国类似，但在精研时采用金属研磨盘和超细磨料。日前日、美、英轴承公司所生产的陶瓷球轴精度等级在６５～ＧＩＯ级之间，实测为０．２ｕｍ，表面粗糙度为０．０１４ｕｍ７／１６”（１１～１１３ｕｍ），同时检查ＮＳＫ公司的９／３２”（７．１４４ｍｍ）结果相同。从结果来分析，尺寸精度在Ｇ５～ＧＩＯ级之间，表面粗糙度Ｇ３～Ｇ５级，材质密度在３．２２～３．２９９／ｃｍ３之间，断面金相分析，放大１００倍、５００倍几乎无孔隙视场存在。１９９４年对美国陶瓷球也作了精度等级以及材质分析，１／４”（６．３５ｍ）直径变动量为０．２ｐｍ，表面粗糙度为０．００６ｕｍ，相当于我国精度等级Ｇ５级～Ｇ１０级，密度为３．２３９／ａｍ２。实测分析表明日、美公司氮化硅球加工技术、毛坯质量均高于我国目前水平。
ＮＳＫ公司认为陶瓷球的疲劳寿命是评价陶瓷球能否用于滚动轴承的可靠的技术依据。ＮＳＫ３／８”（９．５２５ｍｌｎ）ＧＩＯ级氮化硅陶瓷球疲劳寿命试验的，结果表明额定寿命（Ｌ。）达到计算寿命的３～７倍。而美国ＮＯＲＴＯＮ公司陶瓷疲劳寿命为计算寿命的１０～２０倍，我国对陶瓷疲劳寿命也作了对比试验，达到ＮＳＫ公司水平。但由于试验次数、数量有限，尚难于作出准确判断。
氮化硅（Ｓｉ扎）具有耐磨、耐高温、耐腐蚀、无磁性、低密度（只有钢的４０％左右），热胀系数小（为轴承钢的２５％）及弹性模量大（为轴承钢的１５倍）等一系列优点，可制造高速精密轴承或适用于特殊环境下工作的轴承。由于其密度比轴承钢低，用陶瓷作滚动体，高速旋转时滚动体产生的离心力小，陀螺力矩可以减少，从而大大减小对轴承外圈的压力和摩擦力矩，因此，可以降低温升，提高寿命，由于硬度高、刚性好，轴承的变形亦小，研究结果表明，采用陶瓷材料（Ｓｉ。Ｎ。）滚动体的混合陶瓷轴承与同规格、同精度等级的钢制轴承相比，其速度可提高２５％～３５％，寿命可提高３～６倍，温升可降低３５％～６０％“２１“”。
高速陶瓷轴承在国防军工，航空航天和精密机械领域都获得了广泛的应用，如前所述，随着国际上氮化不锈轴承钢的广泛应用，一种以该材料为套圈的，以氮化硅为滚动体的新型混合陶瓷轴承（Ｎｅｏ－Ｂｒｉｄ“Ｂｅａｒｉｎｇｓ）“ｏ获得了广泛的应用。上世纪９０年代，美国军方和其国内的所有涡轮发动机制造商共同提出了未来１０～１５年改进航空涡轮发动机性能的计划，其中就包括在航空发动机主轴上使用混合陶瓷球轴承和混合陶瓷圆柱滚子轴承的计划“”日本ＫＯＹＯ公司的混合陶瓷球轴承已经在飞机燃气轮机主轴上得到应用“”。为满足超低温（液氢／
液氧环境）。超高温（６５０。Ｃ）、高真空和高温差（宇宙空间环境）、高可靠性、自润滑和免维护等严酷条件，Ｎｅｏ—Ｂｒｉｄ“轴承还广泛应用于火箭发动机涡轮泵轴承ｍ１和航天飞机发动机主轴轴承等。在医学领域，转速达到（３５００００～４０００００）ｒ／ｍｉｎ的牙钻轴承一般也采用混合陶瓷轴承。在精密机床上，ｄｍ．Ｎ值达到（２．１６～２．８８）×１０６ｍ．ｒ／ｍｉｎ的超高速切削已经进入实用化“”“…。可以认为，２１世纪是陶瓷轴承的世纪，不尽快提高我国陶瓷轴承的开发．研究与应用水平，必然要拖机械工业发展的后腿。
我国对陶瓷轴承的研究始于８０年代末，对陶瓷轴承的加工和性能作了大量试验，取得了一些可喜的成果。“七五”期间开始了氮化硅轴承的研究工作，洛阳轴承研究所和上海硅酸盐研究所对陶瓷材料的制造做了许多工作，生产出了性能较好的陶瓷材料毛坯。“八五”期间“陶瓷轴承研究与开发”列入科技攻关项目，由洛阳轴承研究所、山东工业陶瓷设计研究院和北京中国建筑材料科学研究院共同承担，主要对氮化硅球坯制造、陶瓷球加工方法和陶瓷球轴承的刚性比钢制球轴承好，但振动大，主要由于陶瓷球加工中存在一些问题。“九五”期间，科技部继续立项。对陶瓷轴承的产业化进行研究开发，目标是将陶瓷球轴承的ｄｍ－Ｎ值提高到２．５６×１０６ｒｆｌｍ?ｒ／ｍｉｎ，并进入实用化阶段“”ｏ“。
但是在陶瓷轴承理论和动态分析研究中，所见报道不多，其中试验研究较多，理论研究较少，对接触疲劳寿命研究较多。摩擦磨损研究较少，在陶瓷轴承技术研究中，洛阳轴承研究所先后进行了机械部基金项目“陶瓷球轴承高效、高精、加工技术研究”“”，和“九五”国家重点攻关计划项目“高速精密陶瓷球轴承批量制造技术开发”，开发了一套先进实用的Ｇ５级球制造技术，促进了陶瓷球轴承的发展““。另外，张劲松等也对陶瓷性能测试进行系统的论述“”，吴庆伟对陶瓷球轴承接触应力（钢制套圈一陶瓷球接触）、变形和寿命进行了系统的论述和分析，并与钢制套圈钢球接触副进行了对比分析”］【…。
但是，国内以滚动轴承支承的实用的驱动源，由于技术原因，ｄｍ?Ｎ值超过２．５×１矿咖?ｒ／ｍｉｎ电主轴尚末开发出来，因此，对高速球轴承动态性能的研究国内所见报道不多，已有的一些超高速（ｄｉｎ?Ｎ值达到２．５×１０６ｍｍ?ｒ／ｍｉｎ）滚动轴承包括陶瓷轴承的研究成果，所依据的试验数据和结论完全来源于国外文献。
本课题是原国家机械工业人才发展基金项目，为资助“百千万”人才工程而设立的科技基金项目，通过本课题的研究、提出高速角接触陶瓷球轴承ｄｍ?Ｎ值达到２．５×１０６咖?ｒ／ｍｉｎ，测试不同结构参数和情况下轴承的转速、温升、振动、功耗动态参数，提出合理的轴承结构参数指标：ｆｉ／ｆ．、引导间隙值、超高速时的预紧力和保持架结构等，为高速球轴承优化设计提供依据嘲。
１．４论文结构：
本文共分八章内容如下：
第一章是高速陶瓷球轴承动态性能分析技术和设计应用技术的发展与概述，主要介绍了国内外高速超精密轴承特别是陶瓷球轴承材料技术设计分析技术，润滑技术和应用技术的最新进展情况，阐述了高速陶瓷球轴承动态分析的意义和必要性，同时介绍了课题背景。
第二章是轴承运动分析与各零件受力分析，建立了轴承坐标系，钢球坐标系和接触面坐标系，分析了轴承内部几何关系，确定了轴承各零件的种种作用力。
第三章是弹性流体动力润滑（ＥＨＬ）分析，给出了粘渣、粘压系数确定方法，给出了弹流油膜计算公式，分析了工况条件和轴承固有特性参数如表面粗糙度对弹流油膜参数的影响。
第四章是高速轴承的拟动力学分析，建立了陶瓷球轴的拟动力学分析模型，考虑高速角接触球轴承特有的各种惯性矩及轴承各种结构元素之间的相互作用，建立拟动力学物理模型，形成并求解６ｎ＋８个方程，编制计算机程序，考虑润滑剂与轴承零件的相互作用，游隙的影响等。根据建立的物理数学模型，利用ＶＢ和ＦＯＲＴＲＡＮ７７语言，开发了高速陶瓷球轴承的拟动力学分析程序，能够计算出轴承的变形、冈４度、发热率、摩擦力短等动态性能参数，同时可以到轴承内部的载荷分布、离心力、陀螺力矩的情况。
第五章是陶瓷球轴承动态性能预测，本译比较典型的最常用的高速电主轴用陶瓷球轴承Ｂ７００ＳＣ／ＨＱｌＰ４作为电分析例子给出了油雾润滑条件下不同转速载额情况下的轴承的各种动态性能。
第六章是高速磨床电主轴用陶瓷轴承动性能试验。本试验就是针对高速磨床电主轴用典型陶瓷球轴承Ｂ７００５Ｃ／ＨＱｌＰ４，在不同的转速、不用载荷和不同润滑条件下的运转特性进行试验研究，分析保持架的引导孔的间隙对轴动性能的影响以及轴承在断油状态下的运转通过试验确定滚动轴承采用陶瓷材料时的最优设计方案以及最佳使用条件。
第七章总结论文的全文的工作，提出了进一步研究的方向。
第二章轴承运动分析与各零件受力分析
２．１研究内容
２．１．１研究对象
随着机床工业的发展，国外对高速机床主轴轴承的理论分析比较重视。ＳＫＦ美国研究中心七十年代开发出的拟动力学分析软件ＳＨＡＢＥＲＴＨ，到目前已公布第六版。
国内对轴承的分析一直采用以“套圈控制”理论为基础的拟静力学方法。“七五”期间，洛阳轴承研究所和洛阳工学院浙江大学等联合对高速角接触球轴承的拟动力学分析方法进行过研究，为本课题的研究打下了基础嘲¨”。
本文参考ＳＨＡＢＥＲＴＨ的分析模型。２““，建立了普遍（５维）受载油润滑球轴承的拟动力学分析模型，可以用于高速机床主轴轴承（钢球和陶瓷球两种滚动体材料）的性能分析。分析中考虑了入口区剪切发热及运动学缺油对集中接触面弹流油膜厚度的影响，考虑了计及工作表面粗糙度的部分弹流润滑拖动力和轴承寿命的计算；考虑了钢球的所有惯性效应离心力，陀螺力矩。另外，还考虑了轴承与轴颈、轴承座的初始配合、运转速度、工作温度对轴承径向间隙的影响。
本文考虑高速角接触球轴承，通过对输入参数的选择，可以选择是钢球还是陶瓷球。轴承采用实体保持架，而且已知轴承的几何参数、材料参数以及工作表面参数，轴承在给定的工作温度和转速下平衡运转；轴承采用油润滑，已知油的种类及轴承空腔内油所占的百分比；已知轴承的夕ｔ－／３ｔａ负荷，要求外加负荷作用于内圈：要求内外圈的相对转速形成较高的ｄｍ?Ｎ值。当需要进行径向间隙分析时，还应知道轴承的安装配合参数。
２．１．２坐标系统
为了准确描述轴承零件的运动、位移和受力情况，需要建立以下几种坐标，坐标系的建立符合右手法则。
（１）轴承坐标系（惯性系）Ｓ＝｛０，ＸＹＺ｝
如图２—１所示，坐标系Ｓ的原点０设在外圈沟曲率中心的平面轨迹圆心上。ｘ轴与轴承中心线（外圈对称轴线）重合。钢球的公转速度∞。，保持架转速。。及内圈位移６，、６。、６：、０，、０：，轴承外加负荷Ｆ。、Ｆ。、Ｆ：、ＭＹ、Ｍ：，均在坐标系Ｓ内度量。
（２）钢球坐标系（球心系）Ｓ。＝｛倪，ｘｙｚ｝
如图２—１，球心系Ｓｓ的原点设在被考虑钢球的球心瓯上，Ｘ轴始终与濒性轴ｘ平行，Ｙ轴由球心沿径向指向轴承外部，ｚ轴与钢球滚动方向重合。坐标系
ｓ。既不固定于惯性空间，也不固定于运动钢球，但原点ｏｂ随球心同时运动。钢球的自转角速度。；、。，、。：、球心位移ｘ、Ｙ，保持架兜孔中心对球心的位移ｚ。，都在Ｓ。中度量。
图２－１轴承和钢球坐标系
图２－２Ｈｅｒｔｚ坐标系
（３）接触面坐标系（Ｈｅｒｔｚ系）Ｓ。＝｛ＯＨ，；ｎ‘｝
如图２—２，坐标ｓ。的原点ＯＨ设在被考虑接触面的中心上，ｌ沿接触椭圆短半轴指向钢球滚动方向，‘轴指向钢球内法向。钢球在滚道上的滚动，滑动速度及拖动力都在Ｓ“中度量。
２．１．３研究任务
在建立坐标系统后，轴承在给定工况下，其运动状态由下列位移和速度参数完全确定：
（１）内圈相对于外圈的５维位移，或称轴承的变形，８ｘ、６ｖ、５ｚ、ｅｖ、
Ｏ
ｚ；
（２）钢球中心相对于外圈沟监率中心的位移，Ｘ、ｙ；
（３）钢球的公转速度和白转速度，∞。、∞，、。，、（Ｉ）：、；
（４）在第一个角位置，保持架兜孔中心相对于球心的位移，ｚ。。；
（５）保持架中心相对于引导套圈的位置ｅ、＿Ｉｌ，。
上述参数可以归纳为，钢球的６个相互独立的变量｛ｘ、Ｙ、ｕ。，。。、ｕ，、（＾）：），保持架的３个独立变量｛如、ｅ、１ｌｒ。ｊ，内圈的５个独立变量｛６，、６，、５：、８。、ｅ：｝。轴承的其它性能参数（如润滑、寿命、发热等）均根据这６ｎ＋８个相互独立的变量得出（ｎ为钢球个数）。
本文考虑高速角接触球轴承特有的各种惯性效应及轴承内各种结构元素之间的相互作用，建立拟动力学物理模型，形成并求解下列６ｎ＋８个方程，编制成计算机程序。
（１）内圈平衡方程５令；
（２）保持架平衡方程３个；
（３）钢球平衡方程６ｎ个。
２．２几何学
２，２．１轴承的内部关系嘲啡】
图２－３所示为轴承内部游隙与接触角的关系。
图２－３轴承几何关系
轴承径向游隙Ｐｄ与接触角ａ的关系如下：
Ｐｄ＝２ＢＤ（１一ＣＯＳⅡ。）…”：…………………………………………（２－ｉ）原始接触角ｏ。可按一般角接触球轴承写出：
Ｄ
ｄ。＝ａｒｃｃｏｓ［１一—扎１……………………………………………（２－２）
。
２ＢＤ
式中：Ｂ＝ｆ。＋ｆ：一ｌ…………………………………………………（２—３）ｆ。、ｆ２－一外、内圈的沟曲率系数
Ｄ—钢球直径，ｍｍ
轴向游隙为：
Ｐｅ＝２ＢＤＳｉｎａｏ……………………………………………………（２—４）从以上的分析看，在输入轴承的几何参数时，Ｐ。、ｎ。、Ｐｅ三者输入一个轴承的内部几何关系便完全确定了。如果都输入，优先取ａ。决定其它参数。
２．２．２点接触几何关系。”
《甏
艮
，７灸
脒
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图２—４点接触几何关系
图２—４为物体点接触的情况，坐标ＸＹＺ等同于２．１．２节中的坐标Ｅｎ‘。两物体表面被油膜隔开并且存在滚动和相对滑动。设两物体分别具有主曲率半径Ｒｘ．、Ｒｙ，和Ｒｘ。、Ｒｙ。．则当量曲率半径为：
Ｒｘ＝（Ｒ；，－ｔ＋Ｒｘ２＿１）～…………………………………………………（２—５）
Ｒ，＝（ＲｙＩ－Ｌ＋ＲＹ２－１）。２…………………………………………………（２—６）
定义主曲率和为：
Ｒ－ｔ＝Ｒｘｌ＋Ｒｙ－１…………………………………………………………（２—７）滚动速度为：
Ｕ。（％＋Ｕｎ）／２……………………………………………………（２—８）
Ｕ，２（Ｕ，?＋Ｕ，：）／２……………………………………………．（２—９）
滑动速度为：
Ｕ，，＝Ｕｘｌ—Ｕ船…………………………………………………………（２—１０）Ｕｓｒ２Ｕ，广Ｕ２…………………………………………………………（２—１１）
２．３运动学
高速球轴承的分析需要考虑轴承的一般运动学关系和轴承内部的滑动，介绍如下。
２．３．１钢球运动的描述
钢球在轴承中的运动由球心在惯性系ｓ中的平动和钢球绕球心在钢球系Ｓｂ中的转动合成，如图２—５所示。钢球的一运动学可用６个速度参数（Ｙ。、Ｙ，、。。，ｕｘ、∞Ｖ、ｕｚ｝，完全描述。ｍ。为钢球的公转速度，∞，、ｕ，、ｕ；为自转角速度的三个分量，它们有如下关系：
∞：＝∞：＋ｔＯ；＋∞：………………………………………………（２—１２）
６０ｘ－（Ｉ）ｂＣｏｓＢＣｏｍＢ’……………………………………………（２一１３）
∞，２∞ｂＳｉｎ且…………………………………………………（２一１４）
（‘）ｚ２（Ｉ）ｂＣｏＳＢＳｉｎＢ’……………………………………………（２—１５）
图２－５钢球的运动
钢球的空间姿态是由俯仰角Ｂ和偏转角Ｂ’定义。拟动力学的分析结果表明。“，钢球的自转速度失量接近于平行惯性轴ｘ。
２．３．２钢球相对于滚道的运动
将球心固定，套圈的相对转速为：
。ｉ－Ｑ。一ｕ。（ｉ＝１为外圈，ｉ＝２为内圈，下同）………（２一１６）
钢球与滚道接触表面的曲率半径为：
Ｒ．：当旦………………………………………（２－－１９）２．３．２．１钢球相对于外圈滚道的运动
图２－８钢球与外圈滚道的接触
在接触面上的任意一点（Ｅ。，Ｔｌ。），按图２—６可以直接写出钢球相对于外滚道的滑动速度为：
ｃ，，☆＝一言ｄ。∞，＋Ｒ绷，（∞。ｃｂＳｔｚｌ－－ＣＯｙ跏ＧＥｌ－－Ｃ０１ｃ缸口，）
滚动速度为：
Ｕｒｌｌ＝ｃｏｚＲｔｅｒｍｌ…（２—１８）…（２－１９）
％＝丢ｄ。ｑ＋丢Ｒｔ洲。（国。‰（Ｚｘ－（Ｏｙ胁口ｉ＋ｃ０１‰蚴……（２－１９）Ｕｑ，＝圭吼Ｒｆ一。…………………………………（２－２０）式中，
Ｒｔｅｒｍ＝（Ｒ；一１１；）一（Ｒ；一ａ；）＋（１Ｄ２－ａ；）…………………………（２－２１）２．３．２．２钢球相对于内圈滚道的运动
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图２—７钢球与内圈滚道的接触
在接触面上任意一点（Ｅ：，ｎ。），按图２—７可以直接写出钢球相对于内滚道的滑动速度为：
…（２—２２）ｕ。善２＝一ｌｄｍｃ０２＋Ｒ据，豫２（一国Ⅳｃ。嚣口２＋∞，＆ｎ９２＋国２ｃ∞口２）
以刁２＝∞：Ｒｔｅｒｍ２………………………………………………………（２—２３）
ｕ白＝ｌｄ。ｍ２＋ＩＲｆ甜州Ｉ（＿∞ｚｃ缸口２＋国ｙ胁ａ２一国２ｃ∞ａ２）…………
（２—２０）
沏：＝丢哆Ｒ招硎：…………………………………（２－２１）式中，
Ｒｔｅｒｍ：＝（Ｒｉ—Ｔ１；）一（Ｒｉ—ａｉ）＋（÷Ｄ２一ａ；）…………………………（２—２２）
４一
数控车床机械主轴单元的轴承布置结构 常用的数控车床机械主轴单元通常按照其机床的加工性能，对主轴的结构有不同的要求，通常会按照机床的刚度指标分成三大类。 一、高速轻载型该主轴的配置是以车削有色金属为主或轻切的机床上，轴承结构为前三后二的角接触轴承组合结构，由于具有很强的高速性，配合CBN或其它硬质合金刀具，可以获得较高的工件粗糙度及真圆度。这个类型的主轴在华南地区的机床制造领域是非常普遍的，几乎配置了98%以上的数控车床。HEAVY CUT公司批量制造的该款主轴其内部结构如图1所示。 图1 为了满足主轴的高速性，在这款主轴的轴承结构中，其预紧载荷大部分采取轻预紧或特轻预紧的方式对轴承进行配对。值得提出的是，国产轴承的配对预紧标准相对进口品牌产品而言，其预紧量高出进口产品的几倍、十倍、甚至几十倍，这与一个国家的行业执行标准有关，也是我国高速轴承在主轴行业的应用表现不及进口产品的主要原因。当然，从一定角度来讲，国产轴
承的配对后相对轴向刚度优于进口轴承，但在高速特性应用方面却损失了极大的市场。 通常在轴承的接触角度选择上，可以适当的通过加大接触角而增加主轴承的轴向刚度系数。目前最常用的接触角度为15。、25。及进口产品的18。角。接触角度值越大，其轴向刚度值越大。相反，接触角越大，其高速性指标越低，其额定载荷指标也越低。 标准型的角接触球轴承，在实际运用中，按轴承的内径计算已经达到了20～25m/s的工作线数度。HEAVY CUT公司技术部门做过一项实验，在预载 力同等的条件下，国产轴承也能够胜任这项工作指标。同一规格的产品，钢球直径越小，其速度指标也越高。 二、中高速重载型重载系列的车床主轴单元，在我国及世界车床的 发展史上也是刚兴起不久的一种结构，主要从追求主轴的速度上作出的改进，将原来的平面轴承改成了一套角接触轴承，从而提高了车床的转速。其前后都采用了圆锥孔双列短圆柱滚子轴承，中间配置一对角接触球轴承。结构参见图2。日本马扎克通常都采用了这种结构，值得提出的是，角接触轴承的 角度最好在25度以上，以满足径向和轴向刚度的平衡。但是，圆锥孔双列 短圆柱滚子轴承的游隙调整比较困难，它直接影响主轴的回转精度，在游隙控制在2～3微米时，主轴可以获得1微米以内的回转精度。目前为止我国 还没有专门用于检测调整游隙用的专用包络量具，这不能不说是中国轴承行业的耻辱。除此之外，与轴承锥度的接触面要求也非常高，对轴的中空比有一定的限制等工艺上特殊要求，也阻碍着这款主轴结构的发展。由于该款轴承特别适合于重切削高精度机床，所以日本及欧美也对中国的销售加以限制，目前市面上能够采购到的最高级别也只有FAG的SP级产品，进口高端机床
机床主轴轴承正确安装 方法 Document number：PBGCG-0857-BTDO-0089-PTT1998
机床主轴轴承正确安装方法 主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承，它对保证精密机床的工作精度和使用性能有着重要的意义。 很多用户都对机床主轴轴承的安装存在烦恼，针对这一问题，今天众悦小编就到大家认识一下机床主轴轴承安装方法： a、压入配合 高速机床主轴轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管（铜或软钢），装配套管的内径应比轴颈直径略大，外径直径应比轴承内圈挡边略小，以免压在保持架上。 轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。 b、加热配合 通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的高速机床主轴轴承的安装，热装前把轴承或可分离型
轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100℃，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以再进行轴向紧固。 轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，或者用钩子吊着轴承，高速机床主轴轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100℃，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 此外，在安装过程中也要注意： （1）保持高速机床主轴轴承及其周转清洁即使是眼睛看不到的小尘埃，也会给轴承带来坏影响。所以，要保持周围清洁，使尘埃不致侵入轴承。 （2）小心谨慎地使用在使用中给与轴承强烈冲击，会产生伤痕及压痕，成为事故的原因。严重的情况下，会裂缝、断裂，所以必须注意。 （3）使用恰当的操作工具避免以现有的工轴承具代替，必须使用恰当的工具。我们经常强调工具的重要性，是因为有太多的客户在安装中使用了错误的工具造成了轴承的损伤。要注意轴承的锈蚀。 （4）操作高速机床主轴轴承时，手上的汗会成为生锈的原因。要注意用干净的手操作，最好尽量带手套。
机床主轴轴承正确安装方法 主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承，它对保证精密机床的工作精度和使用性能有着重要的意义。 很多用户都对机床主轴轴承的安装存在烦恼，针对这一问题，今天众悦小编就到大家认识一下机床主轴轴承安装方法： a、压入配合 高速机床主轴轴承内圈与轴使紧配合，外圈与轴承座孔是较松配合时，可用压力机将轴承先压装在轴上，然后将轴连同轴承一起装入轴承座孔内，压装时在轴承内圈端面上，垫一软金属材料做的装配套管（铜或软钢），装配套管的内径应比轴颈直径略大，外径直径应比轴承内圈挡边略小，以免压在保持架上。 轴承外圈与轴承座孔紧配合，内圈与轴为较松配合时，可将轴承先压入轴承座孔内，这时装配套管的外径应略小于座孔的直径。如果轴承套圈与轴及座孔都是紧配合时，安装室内圈和外圈要同时压入轴和座孔，装配套管的结构应能同时押紧轴承内圈和外圈的端面。 b、加热配合 通过加热轴承或轴承座，利用热膨胀将紧配合转变为松配合的安装方法。是一种常用和省力的安装方法。此法适于过盈量较大的高速机床主轴轴承的安装，热装前把轴承或可分离型轴承的套圈放入油箱中均匀加热80-100℃，然后从油中取出尽快装到轴上，为防止冷却后内圈端面和轴肩贴合不紧，轴承冷却后可以
再进行轴向紧固。 轴承外圈与轻金属制的轴承座紧配合时，采用加热轴承座的热装方法，可以避免配合面受到擦伤。用油箱加热轴承时，在距箱底一定距离处应有一网栅，或者用钩子吊着轴承，高速机床主轴轴承不能放到箱底上，以防沉杂质进入轴承内或不均匀的加热，油箱中必须有温度计，严格控制油温不得超过100℃，以防止发生回火效应，使套圈的硬度降低。 此外，在安装过程中也要注意： （1）保持高速机床主轴轴承及其周转清洁即使是眼睛看不到的小尘埃，也会给轴承带来坏影响。所以，要保持周围清洁，使尘埃不致侵入轴承。 （2）小心谨慎地使用在使用中给与轴承强烈冲击，会产生伤痕及压痕，成为事故的原因。严重的情况下，会裂缝、断裂，所以必须注意。 （3）使用恰当的操作工具避免以现有的工轴承具代替，必须使用恰当的工具。我们经常强调工具的重要性，是因为有太多的客户在安装中使用了错误的工具造成了轴承的损伤。要注意轴承的锈蚀。 （4）操作高速机床主轴轴承时，手上的汗会成为生锈的原因。要注意用干净的手操作，最好尽量带手套。
1例： FAG高精系列主要以下几种： （1）双向推力角接触球轴承（主要用于支承机床精密主轴）接触角为60度，公差等级（精度）为SP级（特别精密级），一般选用FAG.L74V油脂。有2344XX 2347XX系列：如：2344 09.M.SP.CM/ CM表示机加工黄铜保持架。 （2）单列角接触球轴承（单列角接触中的通用结构常常成对使用），主要有：X型（面对面），D型（背对背），T型（串联）三种形式，其中较其它品牌特别的是：配置间隙的特别，有UO型与UA型。UA：X和O型布置中轴向游隙减小。UO：X和O型布置中轴向游隙为零。一般使用普通级，特别要求也可提供P5级，有铜保及玻璃纤维两种保持架。如：https://www.doczj.com/doc/662078906.html,P UO https://www.doczj.com/doc/662078906.html,P UA （3）单向推力角接触球系列。此为精密轴承。主要用于机床上的滚珠丝杆螺母组件。用于高速场合，接触角60度，一般选用FSG.L135V润滑脂，模压窗式玻璃标准保持架（TVP表示），单个及成对都可使用。有76020XX及76030XX系列如：https://www.doczj.com/doc/662078906.html,P （4）主轴轴承,是一种特别设计的单列角接触球轴承，主要应用范围是要求导向精度高和转速高的机床主轴。有B70XX，B719XX，B72XX 后缀一般为CTP4 SUL或ETP4 SUL，其中C代表接触角15度，E代表25度，T代表树脂保持架，P4代表精度，UL代表自由组合。该系列中还有特别的，HSS70系列与HSS719型高速轴承及HCS70，HCS719型陶瓷混合轴承，该系列定货时，请具体咨询适用油脂为FAGL74V。 （5）用于机床主轴径向支承的圆柱滚子轴承，主要有：NN30XX系列及NNU49XX系列。如：NN3028ASK MSP A：内部结构改良，S：带油槽油孔，K：1/12锥度，M：铜保持架，SP精度为SP级，间隙为CINA非互换间隙。 例：FAG主轴轴承系列： B71900CTP4SUL-----B71948CTP4SUL B71900ETP4SUL-----B71948ETP4SUL B7000CTP4SUL------B7048CTP4SUL B7000ETP4SUL------B7048ETP4SUL B7200CTP4SUL------B7244CTP4SUL B7200ETP4SUL------B7244ETP4SUL NN3006ASKMSP---NN3096ASKMSP 7602012TVP------7602095TVP 7603020TVP------7603095TVP 234406MSP------234480MSP 234706MSP------234780MSP998-10-25 第三节主轴滚动轴承及其配置型式 常用轴承 滚动轴承 滑动轴承 滚动轴承优点 能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定地工作; 能在无间隙,甚至在预紧的条件下工作; 摩擦系数小,有利于减少发热; 润滑容易,脂或油; 由轴承厂专门生产,可以外购. 滚动轴承缺点 滚动体数量有限,在旋转中径向刚度变化,同时引起振动 阻尼较低 径向尺寸较大 主轴轴承的选用对主轴组件的工作性能有很大的影响.
机床主轴轴承分类和性能比较 来源：对钩网 主轴轴承是数控机床主轴内一个重要的零部件，在主轴传动过程中，可以起到支撑机械体旋转和减小摩擦的作用。轴承由于其类型、结构、配置和精度的不同，以及安装、调整程度的好坏，将对主轴部件的工作性能起到直接的影响。从功能和结构上，主轴轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 滚动轴承 滚动轴承是一种用于转变摩擦类型的精密机械元件，它可以使运转的轴颈与轴承内壁间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，从而大大减少摩擦阻力，降低能量损失。滚动轴承包括角接触球轴承、双列圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承、深沟球轴承和圆锥滚子轴承五类。 主轴轴承一般要求越轻越好，滚动轴承也不例外。轴承越轻，滚动体的直径就越小，数量也越多，刚性就会越大。常采用轻系列、特轻系列和超轻系列，其中以特轻系列为主。 机床主轴的定位形式一般有两支承和三支承两种。两支承主轴轴承在配置时，首先要满足需求的刚度和承载能力。由于前支承刚度对决定整个主轴刚度发挥的作用更为关键，所以这个位置一般要配置刚度情况更理想的轴承。其次要适应滚动轴承的转速要求。每款轴承都有其最高转速限制。不同型号、不同规格、不同精度等级的滚动轴承，最高转速设定也截然不同，一般来讲，点接触高于线接触，圆柱滚子高于圆锥滚子。最后，还要适应滚动轴承的精度要求，其配置方式直接影响着主轴的位置精度。 某些机床由于其设计需要，致使主轴箱长度较大，两支承已经不能维持稳定结构，必须增设一个中间支承来满足刚度和抗震性要求，于是就构成了三支承主轴部件。通常，三支承中只有两个起到了比较主要的作用，而其中必须包括前支承。第三个支承仅起辅助作用，这个支承通常来说，刚度和承载能力比较小，且外圈与支承座连接较松，留有一定空隙，以解决三个支承不同轴的问题。 滑动轴承 滑动轴承是在滑动摩擦力作用下工作的轴承。由于轴颈和轴承内壁间存在间隙，润滑油可以将二者完全分隔开来，而使它们不发生直接接触。这类轴承工作平稳、可靠、无噪声。不仅可以大大降低摩擦阻力和部件表面磨损，而且其油膜还具有一定的吸振能力，增强了抗振性。 滑动轴承依据其产生油膜的压强方式区别，可以分为液体动压轴承和液体静压轴承。液体动压轴承随着主轴转速的提高，充入摩擦面之间缝隙内的润滑油量也逐渐增多，使轴颈和轴承分离，以降低摩擦阻力。 液体静压滑动轴承是在轴承内圆柱面上开有几个等距的油腔，各油腔之间还开有回油槽。工作时，润滑油流入各油腔，将轴颈推向中央，从而减小了与轴承内壁的摩擦。 滚动、动压、静压三种轴承性能比较 滚动轴承旋转精度一般或者较好，在无间隙或预紧下工作时可能很高。刚度一般或较好，仅与轴承型号有关，承载能力也是如此。抗振性表现欠佳，低、中速性能较好，高速时受疲劳强度、离心力、温升等因素限制。摩擦损耗较小，噪音较大，寿命受疲劳强度限制。生产、使用和维修相对简单，已具备标准化和系
车床主轴间隙的调整 车床在长时间的使用中，往往会发生磨损、变形，造成车床本身误差的增大，或各种间隙的变化，直接影响车床的加工精度，甚至还会关系到生产率和操作安全。例如，当车床主轴箱摩擦离合器没有正确地调整时，会直接影响到车床有效功率的充分发挥。又如，当转动器没有很好地调整时，则主轴至停车后还会转动，会影响到操作安全。车床的调整可分为车床间隙的调整、动力传递机构的调整以及其他部分的调整三种，下面以应用较普遍的C620型、C620-1型车床为主，叙述这三种调整的方法。 主轴是车床上最重要的一个部分，在车削时，它承受着很大的负荷。因此，当用以支承主轴的前、后轴承未进行正确调整时，在加工中就会产生各种缺陷。例如，主轴轴承间隙过大，主轴在车削时就会产生轴向窜动及径向跳动现象，而降低工件加工质量；反之，如主轴轴承间隙过小，主轴就会在高速回转情况下因发热过高而损坏。所以，在出现这些不正常的现象时，必须及时调整主轴轴承的间隙。主轴轴承间隙的调整要求，主要是使主轴在车削中，不致产生振动和过热等现象。下面分别叙述主轴轴承的径向间隙和轴向间隙的调整方法(分滚动轴承和滑动轴承两种情况)。 1．主轴轴承径向间隙的调整 车削时，主轴产生径向跳动的主要原因是主轴前轴承的径向间隙过大，因此在调整主轴轴承的径向间隙时，主要是调整前轴承的间隙。 当主轴前轴承采用滚动轴承时，如C620-1型车床，调整方法如下：松开前螺母的支紧螺钉，向右适量转动前螺母，使带有锥度的滚动轴承内环沿轴向移动，然后进行试转，如果主轴在最高转速下不发生过热现象，同时用手转动主轴时，无阻滞感觉，则可将支紧螺钉拧紧。 当主轴前轴承采用滑动轴承时，如C620型车床，调整方法如下：松开顶紧螺钉，适量转动在固定环内的前螺母，使双层金属轴承作轴向移动，将主轴与轴承的间隙保持在0.02～0.03mm左右，然后按上述方法试转、检查，如果运转正常，则将顶紧螺钉拧紧。 经过调整以后，用百分表测量主轴定心轴径的径向跳动，使其控制在0.006～0.01mm 之内，如还有超差现象，则再调整主轴后轴承的间隙和主轴前轴承的间隙。 2．主轴轴承轴向间隙的调整 在车床进行切削工作时时，主轴产生轴向窜动的主要原因是后轴承的间隙过大，因此在调整主轴的轴向间隙时，主要是调整主轴后轴承的间隙。 其调整方法如下：松开后螺母的支紧螺钉，向右适量转动后螺母，使带有锥度的滚动轴承内圈沿轴向移动，并减小主轴肩后台、止推垫圈、推力球轴承及后轴承座之间的间隙，然后进行试车检查，如果运转正常，则可将支紧螺钉拧紧。 经过调整以后，测量主轴的轴向窜动及轴向游隙(即主轴在正、反转瞬时的游动间隙)，
机床主轴轴承的安装方法、步骤及润滑方式详解机床主轴轴承是精密机床及类似设备的主轴轴承，它对保证精密机床的工作精度和使用性能。主轴轴承的正确配置是指轴承类型的组合和前后轴承的布置，不同的配置就决定了机床主轴不同的负荷能力、运转速度、刚度、温升和使用寿命，尤其是对刚度和温升的影响更为显著，所以应根据机床工作特性的要求合理地配置主轴轴承。从功能和结构上，主轴轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类。 跑合运转的目的是为了使轴承在正式使角前,使其滚子与滚道通过跑合,能具有良好的接触条件，以保持轴承有良好的接触精度，并避免轴承一开始在高速和重载使用时引起滚子与滚道的损坏，从而提高了轴承的寿命和精度'由于圆锥滚子轴承并不是完全的滚动接触，在滚子端面与内环的台肩之间存在着滑动，如果接触条件不好，很易出现咬合损坏的现象，故对这类轴承更应重视跑合运转。 机械主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素。
主轴轴承类型的性能比较 主轴轴承是数控机床主轴内一个重要的零部件，在主轴传动过程中，可以起到支撑机械体旋转和减小摩擦的作用。轴承由于其类型、结构、配置和精度的不同，以及安装、调整程度的好坏，将对主轴部件的工作性能起到直接的影响。从功能和结构上，主轴轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两大类，滑动轴承依据其产生油膜的压强方式区别，可以分为液体动压轴承和液体静压轴承。 滚动轴承旋转精度一般或者较好，在无间隙或预紧下工作时可能很高。刚度一般或较好，仅与轴承型号有关，承载能力也是如此。抗振性表现欠佳，低、中速性能较好，高速时受疲劳强度、离心力、温升等因素限制。摩擦损耗较小，噪音较大，寿命受疲劳强度限制。生产、使用和维修相对简单，已具备标准化和系列化，可以低成本批量生产。
关于重型车床主轴轴承选配的计算： 重型卧式车床是利用高速钢或硬质合金刀具，对铸铁件、钢件及有色金属件的轴类和盘类回转体进行加工，完成外圆柱面、锥面、内孔、端面、切槽等机加工序，满足零件的粗、精车削加工。 经查重型卧式车床的有关资料可知： 1、青岛北方星火通用机床有限公司生产的CG61200重型卧式车床床身上最大工件回转直 径φ2100mm，顶尖间最大工件重量40t，最大工件长度8000mm，花盘最大扭矩80KN.m，车削刀架切削力40KN，主轴前轴承支承直径φ300mm，主轴前后轴承采用高精度（SP 级）双列滚柱轴承，和高精度推力轴承，使床头箱与尾座的主轴径向、轴向刚性好、回转精度高且调整、维修方便。 2、齐重生产的HT250X100/80-NC重型卧式车床R的主轴为穿轴式结构，采用高精度可 调径向间隙的双列短圆柱滚子轴承，经优化设计采用较大的主轴直径及最佳支承跨距，提高了主轴的回转精度和动、静刚度。主轴上的顶尖采用短锥柄法兰式结构，提高了项尖与主轴的连接刚度。 DLA090型数控重型卧式车床是武汉重型机床厂在原联邦德国世界著名机床公司—SCHIESS-FRORIEP的技术的基础上新研制开发的数控重型卧式车床，最大加工直径为φ1500mm，最大承载重量达80t主轴箱结构主轴箱为整体式结构，主轴系统和主传动系统分隔在箱体的两个腔内，便于控制主轴的温升和液压系统的回油。主轴系统的结构如图1所示。主轴前后支承的轴承，径向为静压轴承，轴向为高精度推力滚柱轴承，其中，两个静压轴承均为对称布置四油腔结构，具有良好的对中性，可保证主轴在外载荷增大且方向变化时，仍然能保持很高的回转精度；轴向力则由推力滚柱轴承来承受。这样，主轴组件的精度高、刚度好、承载能力大，结构布置合理。 广州伟仕达机床有限公司生产的C61125 卧式重型车床属于重型车床，最大承重12吨，采用宽1100mm的矩形导轨，稳定性好，刚性好，床身导轨面进行中频淬火磨削加工，主轴采用优质精密滚动轴承组合，三支撑结构
数控车床主轴设计
绪论 随着市场上产品更新换代的加快和对零件精度提出更高的要求，传统机床已不能满足要求。数控机床由于众多的优点已成为现代机床发展的主流方向。它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，在国内外都受到高度重视。 现代数控机床是信息集成和系统自动化的基础设备，它集高效率、高精度、高柔性于一身，具有加工精度高、生产效率高、自动化程度高、对加工对象的适应强等优点。实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。可以说，机械制造竞争的实质就是数控技术的竞争。 本课题的目的和意义在于通过设计中运用所学的基础课、技术基础课和专业课的理论知识，生产实习和实验等实践知识，达到巩固、加深和扩大所学知识的目的。通过设计分析比较机床的某些典型机构，进行选择和改进，学习构造设计，进行设计、计算和编写技术文件，达到学习设计步骤和方法的目的。通过设计学习查阅有关设计手册、设计标准和资料，达到积累设计知识和提高设计能力的目的。通过设计获得设计工作的基本技能的训练，提高分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造一定的条件。
一、设计题目及参数 1.1 题目 本设计的题目是数控车床的主轴组件的设计。它主要由主轴箱，主轴，电动机，主轴脉冲发生器等组成。我主要设计的是主轴部分。 主轴是加工中心的关键部位，其结构优劣对加工中心的性能有很大的影响，因此，在设计的过程中要多加注意。主轴前后的受力不同，故要选用不同的轴承。 1.2参数 床身回转空间400mm 尾架顶尖与主轴端面距离1000mm 主轴卡盘外径Φ200mm 最大加工直径Φ600mm 棒料作业能力50～63mm 主轴前轴承内和110～130mm 最大扭矩480N·m 二、主轴的要求及结构 2.1主轴的要求 2.1.1旋转精度 主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷，低转速的条件下，主轴前端工件或刀具部位的径向跳动和轴向跳动。 主轴组件的旋转精度主要取决于各主要件，如主轴、轴承、箱体孔的的制造，装配和调整精度。还决定于主轴转速，支撑的设计和性能，润滑剂及主轴组件的平衡。 通用（包括数控）机床的旋转精度已有标准规定可循。 2.1.2 静刚度 主轴组件的静刚度（简称刚度）反映组件抵抗静态外载荷变形的能力。影响主轴组件弯曲刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号，数量，配置形式和预紧，前后支撑的距离和主轴前端的悬伸量，传动件的布置方式，主轴组件的制造和装配质量等。 各类机床主轴组件的刚度目前尚无统一的标准。 2.1.3抗振性 主轴组件工作时产生震动会降低工件的表面质量和刀具耐用度，缩短主轴轴承寿命，还会产生噪声影响环境。 振动表现为强迫振动和自激振动两种形式。
机床主轴常用滚动轴承及其特点 1.深沟球轴承 该类轴承一般只用来承受径向载荷，由于游隙不可调，所以常用于精度要求不高、不需预紧的场合，如普通钻床主轴等。 2.角接触球轴承 这类轴承可同时承受径向和轴向载荷，由于在承受径向载荷时将引起内部轴向力，因此应对成安装使用，其配置方式有“背对背”、“面对面”、“串联”和“多联”等，并通过预紧可以提高主轴的刚度。这类轴承的接触角有15°、25°、40°三种，其中接触角为15°的B7000CY 型高精度角接触球轴承是专门为高速磨床主轴设计的专用轴承，该轴承除内部结构设计改变外，套圈和滚动体均选用高质量的电渣轴承钢制造。保持架材料为酚醛层压布管，公差等级有5、4和2级。因此，这类轴承具有高的旋转精度和极限转速，摩擦小，温升低。 3.双向推力角接触球轴承 通常选用230000型双向推力角接触球轴承，接触角为60°，由一个带润滑油孔的座圈、两个轴圈、一个隔圈和两组钢球与保持架组件构成。选择合适的隔圈高度可以使轴承装配后具有所需的预载荷。该类轴承可承受双向轴向载荷,具有良好的刚性,正常润滑时温升低，转速高，并且易于装拆，作为一种新结构，目前多用于磨床、车床、镗床、铣床、钻床等主轴上，使用中常与双列圆柱滚子轴承组配。
4.双列圆柱滚子轴承 这类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率可比单列轴承提高一倍，振幅降低70％。 5.圆锥滚子轴承 可同时承受径向和轴向载荷，双列圆锥滚子轴承可承受双向轴向载荷。因圆锥滚子大端与内圈挡边之间滑动摩擦，其极限转速往往低于同尺寸的圆柱滚子轴承。空心圆锥滚子轴承可用油冷却滚子，使温升降低，从而提高了允许的转速。但这种轴承制造工艺复杂，对机床润滑系统的要求也较高，一般只用于有特殊要求的卧式主轴上。