【導(dǎo)讀】在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，數(shù)控機(jī)床主軸支撐系統(tǒng)有滾動軸承、磁浮軸承、電。主軸和靜壓軸承四大類。本論文主要從多個方面綜合對比這四種支撐系統(tǒng)的優(yōu)缺。點(diǎn)，最后做出合理的選擇。確定靜壓軸承為最佳設(shè)計方案。長，迎來快速發(fā)展時期，國內(nèi)機(jī)床行業(yè)呈現(xiàn)國有、民營、三資企業(yè)共同發(fā)展的局面，行業(yè)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化，整體素質(zhì)明顯提高。從2020年以來我國連續(xù)5年成為世界機(jī)床。消費(fèi)第一大市場，2020、2020年我國機(jī)床產(chǎn)值居全球第三，已成為世界機(jī)床大國。業(yè)景氣度繼續(xù)維持高位運(yùn)行。在國家大力振興裝備制造業(yè)、鼓勵自主創(chuàng)新的大環(huán)境。持續(xù)提高，進(jìn)口替代明顯。一些機(jī)床優(yōu)勢企業(yè)通過兼并、收購、重組，特別是收購。預(yù)計國內(nèi)的機(jī)床消費(fèi)將保持15%以上快速增長，度20個百分點(diǎn)以上，數(shù)控機(jī)床發(fā)展前景寬廣。完成表面成形運(yùn)動，同時還起傳遞運(yùn)動和扭矩。承受切削力和驅(qū)動力等載荷的作用。影響，最后作出合理的分析和選用。由于編者水平有限，編寫時間短促，書中不妥之處懇請批評指正。

　　

【正文】 于高速和工作環(huán)境溫度較高的軸承。 為了使軸承保持良好的潤滑條件和正常的工作環(huán)境，充 分發(fā)揮軸承的工作性能，延長使用壽命，對滾動軸承必須具有適宜的密封，以防止?jié)櫥瑒┑男孤┖突覊m、水氣或其他污物的侵入。軸承的密封可分為自帶密封和外加密封兩類 ， 外加密封又分為非接觸式與接觸式兩種 ， 接觸式 密封由于密封件與配合件直接接觸，在工作中摩擦較大，發(fā)熱量亦大，易造成潤滑不良，接觸面易摩損，從而導(dǎo)致密封效果與性能下降。 非接觸式 形式的密封，在工作中幾乎不產(chǎn)生摩擦熱，沒有磨損，特別適用于高速和高溫場合。 西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 19 常用滾動軸承圖例 圖 31 外圓磨床主軸系統(tǒng) 本圖主要描述數(shù)控外圓磨床的主軸系統(tǒng)，該主軸采用的是五支承結(jié)構(gòu)，前支承分別為雙列圓柱滾子軸承和深溝球軸承，后支承為三列深溝球軸承，主軸前端帶動砂輪旋轉(zhuǎn)，中間的錐度齒輪帶動螺母絲杠作進(jìn)給運(yùn)動。主軸要求轉(zhuǎn)速中等，剛度要西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 20 求高，精度高，故采用此種支撐形式。 圖 32兩支承系統(tǒng)主軸 該支撐系統(tǒng)是最常見 的支承形式，現(xiàn)在已經(jīng)很少采用，因為該支承形式只能承受單向軸向載荷，速度高，結(jié)構(gòu)簡單，但是剛度和強(qiáng)度都不好，適合輕載工作。軸西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 21 承易于磨損，而且潤滑系統(tǒng)過于簡單，容易造成漏油現(xiàn)象。 圖 33普通車床主軸箱 此圖是普通車床的主軸箱 ，其中有一系列的齒輪。在機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時，齒輪嚙合，電機(jī)帶動皮帶輪，皮帶輪帶動齒輪， 使主軸可以按一定的速度旋轉(zhuǎn)，主軸的轉(zhuǎn)速主要靠齒輪不 同的嚙合方式來改變，這種傳統(tǒng)的傳動方式不可以無級調(diào)速，所以在許多要求速度變化快，精度要求高的機(jī)床上已經(jīng)不再使用了，現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床已西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 22 經(jīng)不再采用這種傳動方式。 圖 34中等速度，較大載荷的主軸部件 這是一種以前、后支承為主，中間支承為輔的主軸部件，前后支承雙列圓柱滾西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 23 子軸承，分別為 NN3021K 和 NN3015K。推力支承則為雙向推力角接觸球軸承，位于前支承，內(nèi)徑也是 105mm(234421 型 )。三個軸承的精度都是 P5級。雙向推力角接觸球軸承靠修磨隔套 2 調(diào)整間隙和預(yù)緊，前雙列圓柱滾子軸承的徑向間隙靠螺母 1 和3 調(diào)整。這種支承形式前后軸承預(yù)緊，作為輔助支承的中間軸承（ NU216/P6）的徑向間隙較大（ ～ ）。 這種支承形式結(jié)構(gòu)較簡單，前支承內(nèi)的兩個軸承的極限轉(zhuǎn)速接近，能適應(yīng)的轉(zhuǎn)速較高。但由于前支承內(nèi)軸承較多，發(fā)熱也較多，運(yùn)轉(zhuǎn)后前支承溫度較高。必須注意，這種將后支承作為主要支承的三支撐型式，是原設(shè)計需要改進(jìn)之處。 圖 35 五支承主軸系統(tǒng) 這是一種 前后支承形式的主軸系統(tǒng)，前支承是接觸角為 40176。 的角接觸球軸承，后支承是接觸角為 25176。 的 角接觸球軸承。其前后軸承的徑向，軸向剛度都非常好，前 、 后軸承的使用壽命都比較長，所能承受的極限轉(zhuǎn)速也比較高，溫度情況良好，潤滑采用的是迷宮時潤滑，可以防止?jié)B油，而且成本一般，易于高 、 中檔數(shù)控機(jī)床使用。 該支承形式現(xiàn)在應(yīng)用廣泛，而且成本低，許多機(jī)床制造商都采用該形式，國外西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 24 也在普遍使用。 圖 36 四支承系統(tǒng)主軸 這種支承形式比較差，前、后軸承 的徑向 、軸向剛度都不是很好，前后軸承的使用壽命也很短，極易磨損，所能承受的極限轉(zhuǎn)速也比較低，轉(zhuǎn)速較高或在載荷較大的情況下，主軸溫度升高比較快，影響精度。而且成本也比較高，軸承要經(jīng)常更換。所以這種形式不易使用。 圖 37三支撐主軸系統(tǒng) 該系統(tǒng)情況一般，前軸承是雙列圓柱滾子軸承，后軸承為角接觸球軸承。前、后軸承的徑向剛度較差，但是軸向剛度都比較好，前、后軸承的使用壽命也較短，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 25 所能承受的極限轉(zhuǎn)速很高，升溫也不高。 圖 38 四支承主軸系統(tǒng) 該支承系統(tǒng)，前支承為兩個錐柱滾動軸承，后支承為兩個角接觸球軸承，前、后軸承的徑向剛度一般，但是軸向剛度都比較好，前、后軸承的使用壽命一般， 所能承受的極限轉(zhuǎn)速不是很高，主軸的抗熱變形的能力好。 比較分析 比較分析前面所介紹的幾種滾動軸承支承系統(tǒng)，不難發(fā)現(xiàn)，滾動軸承以它的造價低，安裝維修方便廣泛應(yīng)用。 相比較下采用五支承系統(tǒng)的主軸其旋轉(zhuǎn)精度較高，主軸的靜剛度高，主軸的抗振動能力強(qiáng)，抗熱變形的能力也較強(qiáng)，抗耐磨性較好，故該支承形式在許多 場合都廣泛應(yīng)用。但和現(xiàn)在一些先進(jìn)的機(jī)床相比還有許多不足，還需要進(jìn)一步改進(jìn)。 4 磁浮軸承 目前，超高速數(shù)控精密磨削技術(shù)在國外發(fā)展十分迅速，在國內(nèi)也引起了高度重視。超高速數(shù)控精密磨削技術(shù)作為 21世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)，在國防和民用方面，都起著越來越重要的作用。例如，湖南大學(xué)國家高效磨削工程技術(shù)研究中心研制了一臺砂輪轉(zhuǎn)速 314m/s 的超高速數(shù)控精密平面磨床，其主軸系統(tǒng)為瑞士 IBAG 公司引進(jìn)的陶瓷軸承電主軸，其價格昂貴，而且陶瓷軸承使用壽命不長，需要經(jīng)常更換。必須指出，在超高速數(shù)控精密磨床中，主軸軸承技術(shù)是一項關(guān)鍵 技術(shù)。在國外，磁浮軸承作為一種新型機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品，受到高度重視 。發(fā)達(dá)國家如法國、德國都成功在其高速數(shù)控精密磨床上使用了這種軸承。但發(fā)達(dá)國家對該項技術(shù)保密，西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 26 而且該產(chǎn)品的價格十分昂貴。 磁浮軸承的特點(diǎn)與工作原理 磁浮軸承的基本原理 磁浮軸承從原理上可分為兩種，一種是主動磁浮軸承（ active magic bearing） ,簡稱 AMB；另一種是被動磁浮軸承（ passive magic bearing） ,簡稱 PMB。由于前者具有較好的性能，它在工業(yè)上得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這里介紹的 是主動磁浮軸承。 磁浮軸承系統(tǒng)主要由被懸浮物體、傳感器、控制器和執(zhí)行器四大部分組成。其中執(zhí)行器包括電磁鐵和功率放大器兩部分。下圖是一個簡單的磁浮軸承系統(tǒng)， 由轉(zhuǎn)子和定子組成， 電磁鐵繞組上的電流為 I，它對被懸浮物體產(chǎn)生的吸力和被懸浮物體本身的重力 mg相平衡，被懸浮物體處于懸浮的平衡位置，這個位置也稱為參考位置。假設(shè)在參考位置上，被懸浮物體受到一個向下的擾動，它就會偏離其參考位置向下運(yùn)動，此時傳感器測出被懸浮物體偏離其參考位置的位移，控制器將這一位移信號變換成控制信號，功率放大器使流過電磁繞組上的電流變大，因此， 電磁鐵的吸力也變大了，從而驅(qū)動被懸浮物體順到原來的平衡位置。如果被懸浮物體受到一個向上的擾動并向上運(yùn)動，此時控制器和功率放大器使流過電磁場鐵繞組上的電流變小，因此，電磁鐵的吸力也變小了，被懸浮物體也能返回到原來年平衡位置。因此，不論被懸浮物體受到向上或向下的擾動，被懸物體始終能處于穩(wěn)定的平衡狀態(tài)。 圖 41 磁浮軸承的工作原理 磁浮軸承是利用電磁力將主軸無機(jī)械接觸，無潤滑的懸浮起來的一種新型智能西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 27 化軸承。 磁浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)子和定子之間的單邊間隙為 ~，為開動以前，主軸由左右兩端的“輔助軸承”支承，其間隙小于磁浮軸承的間隙，用以防止磁浮軸承在電磁系統(tǒng)失靈時發(fā)生故障。工作時，轉(zhuǎn)子的位置用高靈敏度的傳感器不斷進(jìn)行檢測，其信號傳給 PID（比例 積分 微分）控制器，以每秒 10000 次左右的運(yùn)算速度，對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，算出用于校正轉(zhuǎn)子位置所需的電流值，輕功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變電磁力，從而始終保持轉(zhuǎn)子（ 主軸 ） 的正確位置。 圖 42磁浮軸承的控制框圖 由于無機(jī)械接觸，磁浮軸承不存在機(jī)械摩擦與磨損，壽命很長。轉(zhuǎn)子線速度可達(dá)到 200m/s（極限速度只受硅鋼片離心力強(qiáng)度的限制），無需潤滑和密封，結(jié)構(gòu)大大簡化。能耗很小（僅為滾動軸承的 1/50） ，無振動、無噪音、升溫小、熱變形小?？稍谡婵栈蛴筛g介質(zhì)的環(huán)境中工作，工作可靠，幾乎不用維修。所以其性能要優(yōu)于陶瓷滾動軸承。 由于磁浮軸承是利用電磁力進(jìn)行反饋控制的智能型軸承，轉(zhuǎn)子位置能夠自律，主軸剛度和阻尼可調(diào)。因此當(dāng)由于負(fù)載變化使主軸軸線偏移時，磁浮 軸承能迅速克服偏移而回到正確位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)施診斷和在線監(jiān)控，使主軸始終繞慣性回轉(zhuǎn)，消除了振動，并可使主軸平穩(wěn)地越過各臨界轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)轉(zhuǎn) ，回轉(zhuǎn)精度高達(dá) 裝有磁浮軸承的主軸可以適應(yīng)監(jiān)控，通過監(jiān)測定子線圈的電流，靈敏地控制切西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計論文 28 削力，通過檢測切削力微小變化控制機(jī)械運(yùn)動，以提高加工質(zhì)量。因此，磁浮軸承主軸單元特別適用于高速、超高速數(shù)控精密加工。國外已有超高速數(shù)控精密磨削主軸頭，并以標(biāo)準(zhǔn)化，但國內(nèi)還沒有 關(guān)于 300m/s 超高速數(shù)控精密外圓磨削磁浮軸承主軸單元設(shè)計的報道。 主軸磁浮軸承 超高速 數(shù)控精密磨床主軸設(shè)計中要求限定 5個自由度，僅留一個回轉(zhuǎn)自由度。因此我們進(jìn)行 5 自由度控制的超高速數(shù)控精密磨床主軸磁浮軸承結(jié)構(gòu)設(shè)計 。 圖 43 主軸 5自由度控制磁浮軸承結(jié)構(gòu)示意圖 磁浮軸承 是利用電磁力將主軸懸空在空氣中的一種高性能軸承，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中用靈敏的傳感器不斷檢測主軸位置，并反饋給控制器實(shí)時調(diào)整電磁力，使與轉(zhuǎn)子（ 軸承轉(zhuǎn)子和電動機(jī)轉(zhuǎn)子 ） 結(jié)合在一起的主軸始終保持在正確位置上。由于采用電子反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，其剛度和阻尼可控，主軸能 自動平衡，其回轉(zhuǎn)精度可高達(dá) ，壽命很長，它的高速性能僅受轉(zhuǎn)子硅鋼片離心力的制約，轉(zhuǎn)子最高線速度可達(dá) 200m/s。顯而易見，磁浮軸承很適合高速高精度切削機(jī)床使用 ，但由于控制復(fù)雜，成本很高，目前實(shí)際在機(jī)床使用的還不多。德國 GMN公司和瑞士 IBAG 公司已有成熟的磁浮軸承電主軸出售（ IBAG 生產(chǎn)最高轉(zhuǎn)速為70000r/min 和 40000r/min 的兩種型號）。 磁懸浮軸承是利用電磁鐵產(chǎn)生可控制電磁力將轉(zhuǎn)子無接觸地懸浮的一種新型軸承，同普通的球軸承相比，電磁軸承具有無耐磨、無磨損、不需要潤 滑和維護(hù)簡單等