關(guān)鍵詞：球軸承 主軸轉(zhuǎn)速 電主軸 主軸電機(jī) 預(yù)緊力 導(dǎo)讀：摘要：通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動(dòng)特性，為陶瓷球軸承的實(shí)際應(yīng)用提供一定的依據(jù)。在B型電主軸中，應(yīng)用陶瓷球軸承，電主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速比使用鋼軸承時(shí)的極限轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高約30%～50%。 摘要：通過理論分析與實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動(dòng)特性，為陶瓷球軸承的實(shí)際應(yīng)用提供一定的依據(jù)。 近年來，國(guó)外生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床或加工中心，其主軸系統(tǒng)很多都采用了陶瓷軸承和電機(jī)主軸結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)在這方面的研究尚處于起步階段。 1 數(shù)控機(jī)床主軸單元與高速主軸軸承 超高速切削是以優(yōu)質(zhì)、高效為特征的先進(jìn)制造技術(shù)，它可以帶動(dòng)高速切削機(jī)理、高速主軸單元、高加減速直線進(jìn)給電機(jī)、高性能控制系統(tǒng)等一系列相關(guān)單元技術(shù)的發(fā)展。高速主軸單元是實(shí)現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)加工的Z關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，同時(shí)也是高速加工機(jī)床Z為關(guān)鍵的部件。現(xiàn)代高速機(jī)床主軸多數(shù)采用的是內(nèi)裝式主軸電機(jī)一體化的主軸單元，即所謂電主軸。電主軸是機(jī)床高速主軸單元的一種較理想結(jié)構(gòu)。 高速主軸單元的核心是高速精密軸承，其性能好壞將直接影響主軸單元的工作性能。 隨著速度的提高，軸承的溫度升高，振動(dòng)和噪音增大，壽命降低。因此，提高主軸轉(zhuǎn)速的前提是研制開發(fā)出性能優(yōu)良的高速主軸軸承。目前，在高速主軸單元中，主軸的支承主要采用磁浮軸承、液體動(dòng)靜壓軸承、陶瓷球軸承三種形式。 磁浮軸承的高速性能好、精度高，容易實(shí)現(xiàn)診斷和在線監(jiān)控。但實(shí)踐表明，這種軸承由于電磁測(cè)控系統(tǒng)過于復(fù)雜，至今未能得到廣泛應(yīng)用。液體動(dòng)靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn)。但這種軸承必須根據(jù)具體機(jī)床專門進(jìn)行設(shè)計(jì)，單獨(dú)生產(chǎn)，標(biāo)準(zhǔn)化程度低，維護(hù)保養(yǎng)也困難。 目前，應(yīng)用Z多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承。即滾動(dòng)體使用熱壓或熱等靜壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標(biāo)準(zhǔn)化程度高，價(jià)格低，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)改動(dòng)小，便于維護(hù)保養(yǎng)，特別適合高速運(yùn)行場(chǎng)合。它的K值已超過2.7×106。為了增加軸承的使用壽命，可增加滾道的耐磨性，對(duì)滾道進(jìn)行涂層處理或其他表面處理。 2 試驗(yàn)研究 試驗(yàn)條件 本次試驗(yàn)所用陶瓷球軸承參數(shù)如表1所示。所用陶瓷球的材料為HIPSN(熱等靜壓Si3N4)，精度等級(jí)是G3級(jí)，裝配時(shí)球與套圈按規(guī)值精細(xì)選配。該軸承采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，并使用外圈薄形保持架。試驗(yàn)中所用鋼軸承與陶瓷球軸承具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。 表1 試驗(yàn)用陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù) 型號(hào) 外觀尺寸(mm) 球徑(mm) 球數(shù) 原始接觸角 陶瓷球材料 保持架材料 套圈材料 B7007CY 35×62×14 7.144 16 15 HIPSN 樹脂 GCr15 本試驗(yàn)采用熱電偶測(cè)溫法測(cè)量主軸前端軸承外圈的溫升。又利用PDB測(cè)量高速電主軸前、后端的振動(dòng)頻譜。分析兩種軸承對(duì)電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度的影響。 試驗(yàn)所用的電主軸有兩種型號(hào)，分別為A型和B型。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖1所示，軸承安裝形式為DBB。表2是兩種電主軸的主要性能參數(shù)。 表2 電主軸的主要性能參數(shù) 型號(hào) 極限轉(zhuǎn)速 (r/min) 主軸直徑 (mm) 輸出功率 (kW) 潤(rùn)滑方式 A型 30000 35 4.5 油霧 B型 24000 35 4.5 脂 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析 主軸軸承的高速性能 軸承在工作時(shí)，軸承滾動(dòng)體與套圈間將產(chǎn)生接觸應(yīng)力，并在接觸表面上形成接觸應(yīng)力橢圓。根據(jù)Herts接觸理論，軸承滾動(dòng)體與套圈間的接觸橢圓的長(zhǎng)、短半徑為 a=ma[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3 2Sr Ec Es (1) b=mb[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3 2Sr Ec Es (2) 式中：ma、mb為與橢圓偏心率有關(guān)的系數(shù)：d為球與套圈的彈性趨近量：Q為作用在滾動(dòng)體上的外加總負(fù)荷：q0為球與套圈的接觸應(yīng)力：E為材料的彈性模量：為材料的泊松比：c、s為下標(biāo)，分別指陶瓷軸承和鋼球軸承的相關(guān)參數(shù)：Sr為主曲率和。代入陶瓷材料的性能參數(shù)，可得 q0c=1.112q0s (3) dc=0.896ds (4) 由式(3)、式(4)可看出，低速時(shí)，陶瓷球軸承中陶瓷球與鋼套圈的接觸應(yīng)力為鋼軸承的1.112倍，變形為鋼軸承的89.6%。在高速條件下，軸承不僅受到來自外力的作用，還受到軸承內(nèi)部滾動(dòng)體離心力的作用。離心力的作用，將使接觸面積、接觸應(yīng)力和彈性變形增大。由于滾動(dòng)體(球)的密度不同，在陶瓷球軸承和鋼球軸承中的接觸應(yīng)力也會(huì)不同。在陶瓷球軸承中，用陶瓷球取代鋼球，陶瓷材料的密度與熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小，彈性模量大。高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，來自軸承內(nèi)部的負(fù)載(離心力、陀螺力矩等)比鋼軸承小，因此，陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速可以得到提高，如Si3N4球軸承的極限轉(zhuǎn)速比鋼軸承提高了60%左右。 圖2、圖3是根據(jù)兩種高速電主軸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的溫升特性曲線。由圖可見，A型主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至極限轉(zhuǎn)速30000r/min時(shí)，鋼軸承溫度由4℃上升至35℃：主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至轉(zhuǎn)速40000r/min時(shí)，陶瓷球軸承溫度由35℃上升至43℃，為防止溫度過高損壞陶瓷球軸承，停止繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中顯示，在相同溫升水平上，即溫升為35℃時(shí)，裝有陶瓷球軸承的電主軸轉(zhuǎn)速比鋼軸承型主軸提高約30%。 在B型電主軸中，應(yīng)用陶瓷球軸承，電主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速比使用鋼軸承時(shí)的極限轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高約30%～50%。 從上述試驗(yàn)結(jié)果和理論分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件。 　主軸軸承的溫升 由圖2可見，A型主軸轉(zhuǎn)速小于15000r/min時(shí)，兩種軸承的溫升基本相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于15000r/min時(shí)，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承。鋼軸承溫升增長(zhǎng)率比陶瓷球軸承的快。 由圖3可以看出，B型主軸的軸承溫升的總體變化趨勢(shì)與A型電主軸相似。但主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承，溫升增長(zhǎng)率比鋼軸承小。當(dāng)轉(zhuǎn)速5>17000r/min時(shí)，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性。脂潤(rùn)滑條件下陶瓷球軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和油霧潤(rùn)滑時(shí)鋼軸承的運(yùn)行速度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，B型陶瓷球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間，與A型鋼球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間相近。 圖4所示是不同供油量條件下的主軸軸承的溫升曲線，從中可見，陶瓷球軸承Z低時(shí)所需的供油量低于鋼軸承，并且當(dāng)突然中斷供油時(shí)，陶瓷球軸承能維持一段時(shí)間的正常工作，而鋼軸承在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)燒壞。 由上述可知，不論用油霧潤(rùn)滑還是脂潤(rùn)滑，在高速或潤(rùn)滑不足時(shí)，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承，陶瓷球軸承的壽命高于鋼軸承。分析認(rèn)為：①HIPSN的密度僅為軸承鋼的40%。由于陶瓷球產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩小，使陶瓷球軸承發(fā)熱量少。②陶瓷和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)比鋼和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)小，產(chǎn)生的熱量少，溫升也低。③軸承在裝配時(shí)需要預(yù)緊，預(yù)緊力越大，變形和發(fā)熱越多，軸承溫升也越快。軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，軸承承受的總負(fù)荷包括初期預(yù)緊力和軸承內(nèi)部負(fù)荷。內(nèi)部負(fù)荷由離心力和熱膨脹差引起的。軸承工作時(shí)的預(yù)緊力大于裝配時(shí)的原始預(yù)緊力，從而使摩擦發(fā)熱增加，軸承溫升增大。由于HIPSN 陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，故當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多。資料表明，陶瓷球軸承的內(nèi)圈材料采用熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%的不銹鋼、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升。 主軸振動(dòng)頻譜分析 使用高靈敏度的壓電晶體傳感器，運(yùn)用離散傅立葉原理進(jìn)行信號(hào)變換計(jì)算，圖5、圖6是利用PDB測(cè)得的A型電主軸振動(dòng)頻譜。由圖5可見，電主軸前端振動(dòng)加速度波動(dòng)較大，導(dǎo)致電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低、剛度下降。由圖6 可見，裝有陶瓷球軸承的電主軸前端振動(dòng)加速度變化極小，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)精度高。對(duì)比兩種類型電主軸表明，使用陶瓷球軸承，可以有效減少電主軸的振動(dòng)，提高電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和剛度。 存在的問題與對(duì)策 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)，都存在著運(yùn)轉(zhuǎn)初期(低速時(shí))剛度差、精度低的問題。 分析認(rèn)為，主要由軸承間隙和工作預(yù)緊力的變化影響。低速時(shí)，預(yù)緊力大，軸承間隙小，剛度高：高速時(shí)，軸承內(nèi)部因高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負(fù)荷，二者疊加，使軸承高速時(shí)實(shí)際預(yù)緊力遠(yuǎn)超過初期預(yù)緊力。導(dǎo)致軸承溫升高，使用壽命低，易出現(xiàn)早期燒結(jié)損傷。為延長(zhǎng)軸承壽命，要求陶瓷球軸承的初期預(yù)緊力要小一些。但初期預(yù)緊力過小，主軸啟動(dòng)時(shí)，陶瓷球軸承間隙大，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變形大、剛度差。使電主軸振動(dòng)加大，嚴(yán)重影響電主軸的加工精度。解決方法是研究開發(fā)軸承預(yù)緊力可變換機(jī)構(gòu)。主要的措施有兩種：①實(shí)施定位置預(yù)緊力變換：②重視運(yùn)轉(zhuǎn)精度，低速時(shí)，實(shí)施定位置預(yù)緊，高速時(shí)，采用預(yù)緊力可變換機(jī)構(gòu)。 3 結(jié)束語(yǔ) 以上理論與實(shí)驗(yàn)分析表明： 在相同條件下，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件。將陶瓷球軸承應(yīng)用于高速主軸單元的設(shè)計(jì)、制造中，可以有效提升主軸的極限轉(zhuǎn)速，減少高速主軸的振動(dòng)，提高主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和剛度。 應(yīng)用陶瓷球軸承，可以延長(zhǎng)電主軸的使用壽命，簡(jiǎn)化與之配套的潤(rùn)滑系統(tǒng)。但要解決低速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。