介绍了陶瓷球轴承的特点及其在数控机床高速主轴单元中的应用现状。通过实验研究，对比分析了两种主轴单元的温升和振动特性，为HIPSN陶瓷球轴承的实际应用提供了一定的技术依据。超高速切削是一种高质量、高效率的先进制造技术。可以带动高速切削机构、高速主轴单元、高加减速直线进给电机、高性能控制系统等一系列相关单元技术的发展。高速主轴单元的支撑核心是高速主轴轴承。陶瓷轴承具有耐高速、重量轻、寿命长等优良性能，广泛应用于数控机床的高速主轴单元。
1 高速主轴单元与主轴轴承
高速主轴单元是实现高速加工的关键技术之一，也是高速加工机床的关键部件。高速主轴单元的核心是高速精密轴承，其性能直接影响主轴单元的工作性能。随着转速的提高，轴承温度升高，振动和噪声增大，使用寿命降低。因此，提高主轴转速的前提是开发性能优越的高速主轴轴承。目前，在高速主轴单元中，主轴支撑主要采用三种形式：磁力轴承、液体动压轴承和陶瓷球轴承。磁力轴承高速性能好，精度高，易于实现诊断和在线监测。但实践表明，由于电磁测控系统过于复杂，这种轴承至今没有得到广泛应用。液体动压轴承结合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点，但这种轴承必须根据具体机床进行专门设计，单独生产，标准化程度低，维修难度大。目前应用最广泛的高速主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即采用热压或热等静压Si3N4陶瓷球作为滚动体，轴承套圈仍然是钢圈。这种轴承具有标准化程度高、价格低、对机床改动小、维修方便等优点，特别适用于高速运转的场合。其d n值已超过2.7106。为了延长轴承的使用寿命，可以增加滚道的耐磨性，可以对滚道进行涂层或其他表面处理。
2 试验研究
测试条件本测试中使用的陶瓷球轴承的参数如表1所示。所用陶瓷球材质为HIPSN(热等静压Si3N4)，精度等级为G3。在装配过程中，根据规定值仔细选择球和套圈。轴承采用“小珠密”结构，使用带外圈的薄保持架。测试中使用的钢轴承具有与陶瓷球轴承相同的结构参数。表1试验用陶瓷球轴承的结构参数和型号外观尺寸(mm)球径(mm)球数原接触角陶瓷球材料保持架材料圈材料B7007CY3562147.1441615HIPSN树脂GCr15试验用电主轴有A型和b型两种，结构见图1。轴承安装形式为DBB。表2显示了两种电主轴的主要性能参数。表2电主轴型号主要性能参数极限转速(r/min)主轴直径(mm)输出功率(kW)润滑方式A型3000354.5油雾B型24000354.5润滑脂图1高速主轴单元结构图图2 A高速电主轴温升特性图3 B高速电主轴温升特性本实验采用热电偶测温法测量主轴前轴承外圈温升，用PDB测量了高速电主轴前后端的振动频谱。分析了两种轴承对电主轴运行精度的影响。测试结果分析主轴轴承温升图2和图3是根据两种高速电主轴的实验数据绘制的温升特性曲线。从图2中可以看出，当转速为
但在主轴转速较低时，陶瓷球轴承的温升略高于钢轴承，温升增长率小于钢轴承。只有在转速n17000r/min时，陶瓷球轴承的低温升特性才能表现出来。陶瓷球轴承在脂润滑下的运转速度与钢轴承在油雾润滑下的运转速度相当。在实验中发现，B型陶瓷球轴承达到热平衡所需的温升和时间与A型钢球轴承相似。从上面可以看出，无论油雾润滑还是脂润滑，陶瓷球轴承在高速或润滑不足时的温升都小于钢轴承。分析表明：(1)1)HIPSN的密度仅为轴承钢的40%。由于陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩小，陶瓷球轴承的热值低。(2)陶瓷和钢组成的摩擦副的摩擦系数比钢和钢组成的摩擦副的摩擦系数小，发热少，温升低。(3)装配时轴承需要预紧。预紧力越大，变形和发热越多，轴承温升越快。在高速运转下，轴承承受的总载荷包括初始预紧力和轴承内部载荷。内部载荷是由离心力和热膨胀差引起的。轴承中，轴承外圈散热较好，内圈次之，滚动体散热条件最差。内圈和滚动体因温升产生的热膨胀大于外圈，轴承工作时的预紧力大于装配时的原始预紧力，从而增加了轴承的摩擦热和温升。由于HIPSN陶瓷材料的热膨胀系数只有轴承钢的25%，所以当转速增加时，陶瓷球轴承的温升比钢轴承小得多。资料显示，陶瓷球轴承内圈采用不锈钢、渗碳钢等热膨胀系数比轴承钢低20%的材料，可以有效降低轴承的温升。从以上试验结果和分析可以看出，陶瓷球轴承比钢制轴承更适合高速运转。图4带钢轴承的电主轴
前端振动频谱图5 装有陶瓷球轴承电主轴前端振动频谱主轴振动频谱分析 使用高灵敏度的压电晶体传感器，运用离散傅立叶原理进行信号变换计算，图4、5是利用PDB测得的A型电主轴振动频谱。由图4可见，电主轴前端振动加速度波动较大，导致电主轴的运转精度降低、刚度下降。由图5可见，装有陶瓷球轴承的电主轴前端振动加速度变化极小，主轴运转的动态精度高。对比两种类型电主轴表明，使用陶瓷球轴承，可以有效地减小电主轴的振动，提高电主轴的运转精度和刚度。存在的问题与对策 试验中发现，装有陶瓷球轴承的两种类型的电主轴，在转速较低时，都存在着运转初期(低速时)刚度差、精度低的问题。 分析认为，主要由轴承间隙和工作预紧力的变化影响所致。低速时，预紧力大，轴承间隙小，刚度高；高速时，轴承内部因高速运转产生较大负荷，两者叠加，使轴承高速时实际预紧力远超过初期预紧力，导致轴承温升高，使用寿命低，易出现早期烧结损伤。因此，为延长轴承寿命，要求陶瓷球轴承的初期预紧力要小一些。但初期预紧力过小，主轴启动时，陶瓷球轴承间隙大，运转时变形大、刚度差。使电主轴振动加大，严重影响电主轴的加工精度。 解决方法是研究开发轴承预紧力可变换机构。低速时，陶瓷球轴承预紧力大，随着转速的提高，轴承预紧力逐渐变小，使陶瓷球轴承始终处于良好的运动状态。主要的措施有两种：(1)实施定位置预紧力变换。(2)重视运转精度，低速时，实施定位置预紧；高速时，采用预紧力可变换机构。