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精密主軸部件是超精密機床保證加工精度的核心，主軸要求達到極高的回轉(zhuǎn)精度，轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，無振動，其關(guān)鍵在于所用的精密軸承。
從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，電主軸單元形成獨立的單元而成為功能部件以方便地配置到加工中心主軸及高速機床上是高速、高效、高精度數(shù)控機床發(fā)展的一種趨勢。電主軸技術(shù)包括主軸機械體、高速主軸軸承、無外殼主軸電機及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具動平衡等。
電主軸是高速機床的“心臟部件”,是高速精密且承受較大的徑向和軸向切削負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)部件。軸承作為其關(guān)鍵的支承技術(shù)首先必須滿足高速運轉(zhuǎn)的要求,并且有較高的回轉(zhuǎn)精度和較低的溫升;其次,必須具有盡可能高的徑向和軸向剛度。此外,還要具有較長的使用壽命,特別是保持精度的壽命。因此,軸承的性能對電主軸的使用功能極為重要。
目前使用在高速主軸中的軸承主要有：液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承等。
2.3.1液體靜壓軸承的高速主軸
液體靜壓軸承運轉(zhuǎn)時，在軸頸處形成高壓油膜，把軸懸浮抬起，形成液體摩擦，使主軸能高速運轉(zhuǎn)。通過對液體靜壓軸 承元件的幾何形狀進行優(yōu)化設(shè)計，轉(zhuǎn)速特征值可達1.0×106 mm.r/min；若軸徑為30mm的主軸，其最高轉(zhuǎn)速可達3000r/min以上。
圖2是典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖，液體靜壓軸承常用的液壓為0.6~1MPa，液體靜壓軸承主軸的運動精度很高，回轉(zhuǎn)誤差一般在0.2um以下。不但可以提高刀具的使用壽命，而且可以達到很高的加工精度和低的表面粗糙度
圖2 典型液體靜壓軸承主軸結(jié)構(gòu)原理圖
1-徑向軸承 2-推力軸承 3-真空吸盤
值。制造模具時，使用液體靜壓主軸的液體摩擦損失大，故驅(qū)動功率損失比滾珠軸承大。同時為減少高速運轉(zhuǎn)發(fā)熱，靜壓軸承的軸徑不宜過大，這類高速主軸其徑向剛度較低，但軸向剛度能過超滾珠軸承主軸。因此，選用何種軸承必須根據(jù)具體應(yīng)用要求來定。
液體靜壓軸承有較高的剛度和回轉(zhuǎn)精度，但也有下列缺點有待解決：
- 液體靜壓軸承的油溫升高，在不同轉(zhuǎn)速的溫升值不等，因此要控制恒溫較難，同時溫升將造成熱變形，影響主軸精度。
- 靜壓油回油會將空氣帶入油源，形成微小氣泡懸浮在油中，不易排出，因此將降低液體靜壓軸承的剛度和動特性。
為解決這些問題，一般采用如下措施：
- 提高靜壓油的壓力到6~8MPa，使油中微小氣泡的影響減小，提高了靜壓軸承的剛度和動特性。
- 靜壓軸承用油經(jīng)溫度控制，基本達到恒溫，減少軸承的溫升。
- 軸承用恒溫水冷卻，減小軸承的溫升。
2.3.2空氣靜壓軸承的高速主軸
空氣靜壓軸承能在軸頸處形成高壓氣膜，降低摩擦，實現(xiàn)主軸高速運轉(zhuǎn)。空氣靜壓軸承高速主軸的轉(zhuǎn)速特征值可達2.7×106 mm.r/min，回轉(zhuǎn)誤差在0.05um以下，最高轉(zhuǎn)速可達10000r/min。采用金剛石刀具可以進行鏡面銑削，加工各種復(fù)雜的高精度面。
空氣靜壓軸承高速主軸的優(yōu)點在于高回轉(zhuǎn)精度、高轉(zhuǎn)速和低溫升，因此造成的熱變形誤差很小，空氣軸承的應(yīng)用促成了超精密機床的發(fā)展，而空氣軸承的主要問題是剛度低，只能承受較小的載荷。
（1）圓柱徑向軸承和端面止推空氣靜壓軸承
（2）雙半球空氣軸承主軸
- 前部用球形，后半部用圓柱徑向空氣軸承的主軸
（4）立式空氣軸承
2.3.3磁懸浮軸承的高速主軸
磁懸浮軸承利用磁力把軸頸抬起運轉(zhuǎn)，能使主軸達到更高的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速特征值可達4.0×106 mm.r/min，為滾珠軸承主軸的兩倍。目前使用的磁懸浮主軸的回轉(zhuǎn)精度可達0.2um。磁懸浮主軸的優(yōu)點是高精度、高轉(zhuǎn)速和高剛度；缺點是磁懸 浮軸承由于價格昂貴，控制系統(tǒng)復(fù)雜，發(fā)熱問題難以解決，因而還無法在高速主軸單元上推廣應(yīng)用。
2.3.4混合陶瓷軸承的高速主軸
用氮化硅制的滾珠與鋼制軌道相組合，在高速轉(zhuǎn)動時離心力小，剛性好，溫度低，壽命長，功率可達80kW，轉(zhuǎn)速高達150000r／min。它的標(biāo)準(zhǔn)化程度高，便于維護，價格低，是目前在高速切削機床主軸上使用最多的支承元件。
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