(1)滾動軸承數(shù)控磨床高速主軸的性能，在相當程度上取決于主軸軸承及其潤滑。滾動軸承由于具有剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強和結(jié)構(gòu)相對簡單的特點，受到超高速磨床的青睞。從高速性的角度看，滾動軸承中角接觸球軸承最好，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承最差。
　　角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，會產(chǎn)生離心力F。和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力F。和陀螺力矩吼也會急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。
　　因此，要提高這種軸承的高速性能，就應(yīng)想方設(shè)法抑制其Fo和Mo的增加。從角接觸球軸承Fo和Mo的計算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fo和Mo，所以現(xiàn)在高速主軸多使用接觸角為15度或20度的小球徑軸承。但是，球徑不能減小過多，基本上只能是標準系列球徑的70％，以免削弱軸承的剛度，更關(guān)鍵的還是摹在球的材料上尋求改進。
　　與GCrl5軸承鋼相比，氮化硅(Si，N4)陶瓷的密度僅為GCrl5軸承鋼的41％，用氮化矽制作的球要輕得多，自然在高速回轉(zhuǎn)時所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時，氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍，而熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25％，這既可提高軸承的剛度和壽命，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬，顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進行高速回轉(zhuǎn)。實踐表明，陶瓷球角接觸球軸承與相應(yīng)的鋼球角接觸球軸承相比速度能提高25％～35％，不過價格也要高一些。
　　國外將內(nèi)外圈為鋼、滾動體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20％，自然在高速回轉(zhuǎn)時，因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢會受到抑制)。
　　眾所周知，DN值是表達滾動軸承高速性能的速度因子(D是滾動軸承內(nèi)、外圈的平均直徑，單位為mln；Ⅳ是軸承的轉(zhuǎn)速，單位為r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關(guān)，而且與軸承的潤滑方式關(guān)系密切。目前滾動軸承有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式，其中油霧潤滑雖然效果不錯，但污染環(huán)境和危害工人健康，國外已很少采用。
　　脂潤滑是最簡單和環(huán)保性最好的一種潤滑方式。由于脂在超高速運轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)，故其 DN值較低，軸承為鋼球時僅達80×104mm·r/min，為陶瓷球時可達110×104mm·r/min(FAG公司開發(fā)的新一代低溫軸承其DN值還可以在此基礎(chǔ)上增加10％左右)?，F(xiàn)在高速主軸軸承用得最多的是油氣潤滑方式，它是定時、定量地供給軸承油.氣混合物，使軸承各部位獲得最佳的微量潤滑并把污染減至很小。
　　采用油氣潤滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承，其DN值一般可分別達到140×10’mm·r/min和2 10×104mm·r/min，若采用比較特殊的油氣潤滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的DN值可達250×104mm·r/min甚至更高一點。
　　高速電主軸滾動軸承的配置形式有多種，但比較典型的是前、后軸承呈?！癘"形布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說來，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負荷時才能正常工作，預(yù)加負荷越大，軸承的剛度越高，但溫升也越大。比較簡單的辦法是，根據(jù)電主軸的轉(zhuǎn)速范圍和所要承受的負載，選定一個最佳的固定預(yù)加負荷值；更好的辦法則是，預(yù)加負荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改變而調(diào)整，在高轉(zhuǎn)速時減小預(yù)加負荷，在低轉(zhuǎn)速時增加預(yù)加負荷。
　　最近幾年，由于陶瓷圓柱混合軸承的面世和油氣潤滑的較普遍應(yīng)用，圓柱滾子軸承的高速性能得到較大改進，所以現(xiàn)在已有相當數(shù)量的高速加工中心，其電主軸的后軸承采用了允許內(nèi)、外圈相對移動量較大并能承受更大徑向負荷的圓柱滾子軸承。這樣就可在提高剛度的條件下，用比較簡單的結(jié)構(gòu)達到主軸可自由向后膨脹的目的，瑞士Step.Tec公司生產(chǎn)的高速電主軸，其后軸承就是采用陶瓷圓柱混合軸承。
　　(2)動靜壓軸承它用流體動力與流體靜力相結(jié)合的方法使主軸在油膜支撐中回轉(zhuǎn)，兼有動壓軸零和靜壓軸承的優(yōu)點，剛度和精度高，阻尼大，壽命長，已用于Ingersoll主軸最高轉(zhuǎn)速為20000r/min的某些高速磨床上。然而，此種軸承在主軸軸頸表藤線速度超過50m/s時，油流也會由層流變?yōu)橥牧?，同樣會出現(xiàn)發(fā)熱嚴重和功率損失的問題，其進一步高速化仍是一個正在研究的課題，并一直受到業(yè)界人士的重視。湖南大學(xué)也研制了動靜壓軸承高速外圓磨削電主軸，如圖22所示，最高轉(zhuǎn)速8000r/min(功率18kW)，旋轉(zhuǎn)精度1.0，主軸直徑70mm，6000r/min運轉(zhuǎn)最高溫升15度3(室溫25度)，已成功地在高速磨床上應(yīng)用多年，具有軸承剛性好(達340N/l山m)、回轉(zhuǎn)精度高(徑向、軸向跳動均在0j002mm以內(nèi)).、使用壽命長(可連續(xù)運行幾年而免維護)等優(yōu)點。靜動壓軸承供油系統(tǒng)配置了油液恒溫控制油箱，以保證主軸軸承處的溫升在最高速時不大于20aC，另外，在后置調(diào)頻電動機處設(shè)計了強風(fēng)排熱裝置，保證主軸系統(tǒng)長時間運轉(zhuǎn)的工作穩(wěn)定性。
　　
　　圖22動靜壓電主軸不意圖
　　目前國外超高速磨床較多采用的是陶瓷球軸承、磁懸浮軸承及液體靜壓軸承。陶瓷球軸承制造難度大、成本高，與鋼配套時熱膨脹系數(shù)小，對拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力敏感；磁懸浮軸承造價昂貴，承載能力相對較低，常用于高速輕切削機床主軸系統(tǒng)；靜壓軸承則必須配有較大功率的供油系統(tǒng)，且噪聲大。而液體動靜壓軸承則擁有動壓軸承和靜壓軸承的優(yōu)點，在全速度范圍內(nèi)能保持很高的承載能力、剛度、旋轉(zhuǎn)精度、抗振性；同時在主軸系統(tǒng)中采用冷卻措施后，主軸軸承系統(tǒng)的溫升和熱變形將會得到有效的控制，因而將在超高速磨床上得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的軸承工程設(shè)計更多的是依賴經(jīng)驗和近似計算，通過試驗對比尋求較優(yōu)方案而不是最優(yōu)方案。本研究基于試驗和所建立的軸承穩(wěn)態(tài)性能數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)了實用化高速液體動靜壓軸承優(yōu)化設(shè)計。
1)軸承結(jié)構(gòu)形式 圖7-23給出了機床高速主軸采用的五腔液體動靜壓軸承幾何示意圖。小腔結(jié)構(gòu)可提高軸承剛性，外加小孔節(jié)流可提高軸承的靜壓承載能力，且節(jié)流器對液體的阻力與粘度無關(guān)，因而油液溫升對節(jié)流器液阻無影響，故小孔節(jié)流器適合用于高速精密機床主軸中。另外，軸承采用低粘度流體做工作介質(zhì)，在滿足油膜剛度的前提下，克服了大封油面引起大摩擦功耗這一問題，從而降低了油膜溫升。不設(shè)置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動壓效應(yīng)。采用五腔結(jié)構(gòu)，承載能力及油膜剛度的方向性小，油膜均化作用強，主軸運轉(zhuǎn)精度也隨之提高。在高速條件下，軸承封油面粗糙可能導(dǎo)致油膜壓力和溫度的升高，故應(yīng)降低表面粗糙度。
　　
　　圖23 高速動靜壓軸承幾何示意圖
　　軸承在純靜壓工作時，在整個油腔內(nèi)腔壓可認為是 均勻的；而在油腔的液流方向一側(cè)邊界上由于流體的慣性而出現(xiàn)了壓力下降。在軸承動靜壓工作時，由于粘性剪切效應(yīng)，在節(jié)流口供油線的順流區(qū)域的臨近油腔邊界處會出現(xiàn)壓力上升現(xiàn)象。
　　高速動靜壓軸承有限元數(shù)值計算程序框圖如圖24所示。
　　2)優(yōu)化設(shè)計。高速動靜壓軸承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且參數(shù)多。其優(yōu)化設(shè)計可分為腔型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計。由文獻知，高速軸承油腔形狀以方形為好。矩形油腔形狀與方形類似，也值得研究。提高供油壓力可以提高軸承的承載能力，同時也不會增加軸承的溫升(當然液壓系統(tǒng)的溫升會增大)。目前，普通齒輪油泵最大供油壓力為2.5MPa，因此要達到有關(guān)文獻中所述7MPa的供油壓力，必須對供油系統(tǒng)作大的改進，供油壓力選擇也需要作相應(yīng)調(diào)整。軸承潤滑劑可采用3號高速機油，其粘度較小，高速下軸承溫升較低。在更高的轉(zhuǎn)速下，可采用粘度更小的水做潤滑劑。在影響軸承性能的眾多參數(shù)中，以半徑間隙、小孔節(jié)流器孔徑、軸承寬徑比、腔面積與軸承總內(nèi)表面積之比、軸承相對軸向封油面長度和相對周向封油面長度等參數(shù)對設(shè)計目標函數(shù)的影響最顯著，可將其作為可選擇的設(shè)計變量。
　　高速主軸軸承系統(tǒng)的設(shè)計，關(guān)鍵是降低發(fā)熱和溫升，而協(xié)調(diào)軸承承載能力與總功率損失(尤其是軸承摩擦功耗)之間的關(guān)系是優(yōu)化設(shè)計的核心，通常是以單位承載量下的總功率損失最小作為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)。將超高速主軸軸承系統(tǒng)的一些次要的性能及設(shè)計變量取值作為邊界條件處理，同時為加快優(yōu)化計算，可將設(shè)計變量、目標函數(shù)和約束條件進行規(guī)格化處理。
　　針對磨削速度達150m/s的超高速磨削主軸系統(tǒng)的‘ 圖24數(shù)值計算程序框圖動靜壓混合軸承進行了優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化設(shè)計計算表明，矩形油腔軸承性能要明顯優(yōu)于方形油腔軸承。優(yōu)化結(jié)果表明，軸承具有較高的承載能力、較大的潤滑油流量、較低的溫升、較低的功耗，其他參數(shù)也較好，這表明優(yōu)化設(shè)計是成功的。比較優(yōu)化設(shè)計與初設(shè)計，軸承的穩(wěn)態(tài)性能(即優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù))從0.1327下降到0.1174，得到了明顯改善。本優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果將應(yīng)用于超高速磨頭軸承設(shè)計中。
　　研究表明，軸承中最大壓力出現(xiàn)在最小油膜厚度處的封油面上；溫升是由軸承內(nèi)流體的湍流效應(yīng)和軸承表面粗糙度效應(yīng)共同作用的結(jié)果。研究還表明，軸承的圓周方向的收斂區(qū)內(nèi)，溫升不斷增加，在軸承最小油膜厚度的下游位置，溫升到達最大值，并在這段范圍內(nèi)保持這個最大值。在軸承的軸向方向，在端泄處(即軸承兩端)的溫升最大。在軸承最大溫升區(qū)域，潤滑劑的粘度和密度有一定下降。
　　隨著軸承半徑間隙的增大，軸承流量增大而溫升快速下降，摩擦力矩隨著半徑間隙的增大而稍有減小。但在小半徑間隙處，因為軸承溫升最大而使得潤滑劑的粘度降低，因此此處摩擦力矩小。在高速大偏心率條件下，軸承摩擦力矩增大、溫升升高，盡管增大軸承半徑間隙能降低溫升，但同時軸承潤滑劑流量也增大而導(dǎo)致軸承供油系統(tǒng)中功耗增大，而且半徑間隙加大會導(dǎo)致軸承剛度下降，因此要綜合考慮。主軸高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生大離心力，由于離心力的影響，軸會膨脹從而導(dǎo)致間隙減小，而且軸承中高韻溫升也會導(dǎo)致軸承變形而影響軸承間隙，故應(yīng)考慮熱彈性。
　　研究表明，軸承在絕熱和等溫條件下性能計算值之所以相近，是由于軸承的部分性能由其小孔節(jié)流器決定。因此，潤滑劑對軸承性能的影響不是很大，但是軸承中潤滑劑的溫度升、高不但會較嚴重地影響潤滑劑的粘度，而且會影響軸承間隙；從而對其性能產(chǎn)生明顯影響。因此，動靜壓軸承的熱效應(yīng)決不能忽視。另外，過高的溫升不僅會破壞潤滑劑性質(zhì)，而且會破壞軸承材料。因為高的溫度梯度會使軸承的材料產(chǎn)生裂紋，而軸承中熱效應(yīng)不均勻會使軸承不均勻變形甚至發(fā)生抱軸事故。因此，在設(shè)計中必須注意，軸承材料必須與其配合件(如軸、箱體)材料在熱效應(yīng)引起的變形方面均勻一致，同時軸承材料熱變形應(yīng)盡量小。在設(shè)計計算中，要把軸承軸作為一個系統(tǒng)分析，同時考慮其熱效應(yīng)及熱效應(yīng)引起的彈性變形，進行彈性分析。此外，高速動靜壓軸承的主軸單元在制造、安裝、裝配、調(diào)試及調(diào)整中，也要保證高精度。
　　(3)靜壓軸承空氣靜壓軸承由于岡Ij度特別是承載能力很差，盡管回轉(zhuǎn)精度很高和摩擦損失較小，也只能在超精密高速磨削等磨削負荷很小的場合使用b油靜壓軸承在高速回轉(zhuǎn)時，油囊內(nèi)產(chǎn)生湍流，液體摩擦力也隨轉(zhuǎn)速增高而增大，會造成大的功率損失和引起嚴重的發(fā)熱，故高速回轉(zhuǎn)的切削機床仍很少采用(IBAG公司已有一種最高轉(zhuǎn)速為32000r/min油靜壓軸承電主軸供應(yīng))。此外，F(xiàn)ISCHER公司正研制一種以水為介質(zhì)，名為Hydro-F的靜壓軸承電主軸，最高轉(zhuǎn)速為36000r/min(功率為67kW)。
　　靜壓軸承的設(shè)計方法與動靜壓軸承基本類似。
　　(4)磁浮軸承它是利用電磁力將主軸懸浮在空氣中的一種高性能軸承，而且在運轉(zhuǎn)過程中用靈敏的傳感器不斷檢測主軸位置，并反饋給控制器實時調(diào)整電磁力，使與轉(zhuǎn)子(軸承轉(zhuǎn)子和電動機轉(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)進行自動調(diào)節(jié)，其剛度和阻尼可控，主軸能自動動平衡，其回轉(zhuǎn)精度可高達0.1 Ixm。磁浮軸承無機械接觸，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200m/s。顯而易見，磁浮軸承很適合高速高精度磨削機床使用，但由于控鎊!}復(fù)雜，成本’‘很高，目前實際在機床上使用的還不多。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40000f/rain的兩種型號)。
　　磁浮軸承是利用電磁力將主軸無機械接觸、無潤滑地懸浮起來的一種新型智能化軸承。磁浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)子和定子之間的單邊間隙為0.3～1.0mm，未開動以前，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行檢測，其信號傳給PID控制器，以10000/.欠/s左右的運算速度，對數(shù)據(jù)進行分析和處理，算出用于校正轉(zhuǎn)子位置所需的電流值，經(jīng)功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變電磁力，從而始終傈持轉(zhuǎn)子(主軸)的正確位置。
　　由于元機械接觸，磁浮軸承不存在機械摩擦與磨損，壽命很長。轉(zhuǎn)子線速度可高達瑚n1/s(極限速度只受硅鋼片離心力強度的限制).，無需潤滑和密封，結(jié)構(gòu)大為簡化。能耗很小(僅為滾動軸承的1/50)，無振動、無噪聲、溫升小、熱變形小。可在真空或有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中工作，工作可靠，幾乎不用維修。
　　由于磁浮軸承是用電磁力進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，當由于負載變化使主軸軸線偏移時，磁浮軸承能迅速克服偏移面回到正確位置，實現(xiàn)實時診斷和在線監(jiān)控，使主軸始終繞慣性軸回轉(zhuǎn)，消除了振動，并可使主軸平穩(wěn)地越過各階臨界轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)超高速運轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)精度高達0.2mm。
　　裝有磁浮軸承的主軸可以適應(yīng)控制，通過監(jiān)測定子線圈的電流，靈敏地控制切削力，通過檢測切削力微小變化控制機械運動，以提高加工質(zhì)量。因此，磁浮軸承特別適用于高速、超高速加工。磨床主軸有超高速磨削主軸頭，并已標準化。
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，要進行5自由度控崩的磨床主軸磁浮軸承結(jié)構(gòu)(圖7-25)設(shè)計。
　　磁浮軸承支承的高速磨床主軸系統(tǒng)設(shè)計可綜合為以下四個步驟。
　　1)徑向和軸向磁浮軸承的性能結(jié)構(gòu)等參數(shù)設(shè)計。
　　2)磁浮軸承主軸系統(tǒng)控制器參數(shù)的穩(wěn)定域計算，從而得到的是各向同性的系統(tǒng)參數(shù).最終系統(tǒng)需通過調(diào)試達到各向異性。
　　3)高速磁浮軸承主軸系統(tǒng)的動力學(xué)計算，以了解系統(tǒng)在高速運行時的穩(wěn)定性。
　　4)主軸系統(tǒng)的陀螺效應(yīng)分析計算，以確定是否需要進行陀螺效應(yīng)控制補償。
　　按照上述步驟，可以對超高速磁浮軸承外圓磨床主軸單元系統(tǒng)進行設(shè)計，經(jīng)試驗證明是成功的。當然作更深入的研究是非常必要的。
　　磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計是一個復(fù)雜的過程，其中主要的可分為：以軸承幾何與電氣參數(shù)為主的系統(tǒng)控制器的參數(shù)設(shè)計、以轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸承動特性系數(shù)為主的動力學(xué)性能設(shè)計以及特定條件下的陀螺效應(yīng)解耦設(shè)計。除此之外，一個完整的磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計還包括必要的機械設(shè)計、磁路與電磁場設(shè)計以及電子電路的設(shè)計等。一個穩(wěn)定運行的磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)除了精確地設(shè)計外，系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)節(jié)也是至關(guān)緊要的，有時甚至對成功與否起到?jīng)Q定性的作用。
　　目前，這種磁浮軸承已應(yīng)用于高速大功率電主軸中，采用CBN砂輪，進行高效深磨加工，在實驗室中取得了成功，它可以將鑄鍛毛坯直接加工出成品，集粗精加工于一身，‘同普通磨削相比，加工工時可以縮短98％，使磨削實現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)與高效的結(jié)合。
　　磁浮軸承支承的高速主軸系統(tǒng)，具有高速、高剛度、高精度和可控等無可比擬的優(yōu)點。應(yīng)用該技術(shù)的超高速磨床，雖然初期投資成本高，但其優(yōu)越的使用性能使其綜合效益高。期望國內(nèi)有關(guān)單位積極開拓，使磁浮軸承主軸單元技術(shù)盡早得到應(yīng)用。