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中文 3140 字 高性能機(jī)床主軸的發(fā)展 摘要 主軸系統(tǒng)在現(xiàn)代機(jī)床中的一個(gè)重要要求是實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速?gòu)亩岣呒庸?效率 此外 要使主軸系統(tǒng)在一個(gè)給定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)免受不正當(dāng)?shù)牟僮鳁l件且 具有較好的穩(wěn)定性 本文提出了有助于主軸軸承在不同的領(lǐng)域的改進(jìn)研究系統(tǒng) 首先 提出了替代主軸軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)四觸點(diǎn)的新結(jié)果 其次 對(duì)于浮動(dòng)軸承的配 置進(jìn)行了新的解決方案的討論 提出一種改進(jìn)的圓柱滾子軸承 可以在更高的 速度下操作 最后 討論了在改進(jìn)后的涂層軸承組件的故障安全性能下的潛能 在本文中介紹了這兩個(gè)的分析研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試 關(guān)鍵詞 機(jī)械 主軸 軸承 1 介紹 現(xiàn)代機(jī)床的生產(chǎn)率主要取決于轉(zhuǎn)速限制和主軸單元的負(fù)荷能力 一方面 現(xiàn)代切削刀具采用鋁或鎂 并配有立方氮化硼 CBN 或多晶金 剛石 PCD 的刀片 這樣的切削加工工具 使得切削速率從 5000m min 高達(dá) 10000m min 銑削刀具應(yīng)用 20 至 30 毫米的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)非常高的切削速度 從 而達(dá)到主軸速度超過(guò) 100000 rpm 的要求 根據(jù)滾動(dòng)軸承的技術(shù)在本領(lǐng)域的實(shí)際 狀態(tài) 這種需求目前只能用平均直徑為 30 毫米的主軸軸承來(lái)實(shí)現(xiàn) 然而 由于 這些極端工作條件下 主軸單元的所有功能部件主軸軸承 電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子會(huì) 加載到其物理極限 另一方面 主軸還被應(yīng)用于通用機(jī)床 這些特點(diǎn)是由不同的需求所決定的 例如 具有高的切割力和力矩適中的轉(zhuǎn)速的鋼的粗加工 在這種情況下 大直 徑的主軸和軸承來(lái)承受這些載荷 主軸設(shè)計(jì)方法的不同是源于需求的不同 為了滿足這些需求 速度特性系 數(shù) nxdm 必須增加高達(dá) 3 5 4 0 10 6mm min 來(lái)充分確保主軸本身和主軸軸承 的剛度和穩(wěn)定性 圖 1 銑刀電機(jī)主軸滾動(dòng)軸承 2 多位 3P 4P 主軸軸承 2 1 軸承幾何優(yōu)化的推動(dòng) 軸承被主要應(yīng)用在現(xiàn)代主軸機(jī)床中 必須履行最高要求運(yùn)行精度和剛度 在過(guò)去 為了提高軸承的性能開(kāi)發(fā)了各種修改方法 其中 通過(guò)給較小的陶瓷 球以及優(yōu)化的外圈使用特殊潤(rùn)滑劑 盡管如此 高速運(yùn)轉(zhuǎn)還是極大地降低樂(lè)軸 承的使用壽命 在操作過(guò)程中底層的主要作用是由不同的用途來(lái)決定的 尤其 是 高速運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)圈和外圈上的接觸角的依賴性偏差導(dǎo)致軸向和徑向剛度的減 少 另外 在外圈上的接觸區(qū)域的離心力作用下 陶瓷球受到強(qiáng)烈的負(fù)荷 軸承之所以具有不同的內(nèi)部幾何形狀是為了減少作用在滾珠上離心力所帶 來(lái)的負(fù)面影響 此外 對(duì)軸承的穩(wěn)定性也有所提高 并對(duì)傳統(tǒng)軸承的內(nèi)圈和外 圈滾道提供額外的接觸點(diǎn) 因此 滾珠的軸向和徑向移動(dòng)被阻止 恒定的接觸 角和軸向位移使內(nèi)圈可以保證在很寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng) 上述這種思想被引入 到軸承的設(shè)計(jì)概念中 如圖 2 所示 a 和 b 圖 2 中的第三個(gè) c 這種新 概念的設(shè)計(jì)方法在文中也介紹了 圖 2 軸承的不同多點(diǎn) 3 p 4 p 選擇 2 2 多點(diǎn)分析研究 4P 軸承 表一主要研究多點(diǎn) 3P 軸承的操作過(guò)程及理論和實(shí)踐調(diào)查 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試 的軸承制造機(jī)床和生產(chǎn)工程 WZL 是在傳統(tǒng)主軸軸承的基礎(chǔ)上的 也有一些通 過(guò)數(shù)值計(jì)算分析特性的多點(diǎn) 4P 軸承 隨后 關(guān)于新軸承的發(fā)展有了進(jìn)一步的結(jié)果 運(yùn)動(dòng)學(xué)和四個(gè)接觸分球正在考慮 被使用 所有的計(jì)算都是在軸承型號(hào)為 7014 直徑為 12 7mm 的陶瓷球上完成 的 下面的圖中使用縮略語(yǔ) 在表 1 的中列出 表 1 3 4 5 使用的是縮用詞 在 1 的計(jì)算中表明 內(nèi)圈的軸向位移可以減少不到兩個(gè)微米 接觸角的變 化依賴速度是可以預(yù)防的 但是 多點(diǎn)軸承 4 p 的安裝與徑向間是有間隙的 因此 他們對(duì)熱有非常敏感的影響 特別是過(guò)度的高溫使得軸承的內(nèi)圈可能會(huì) 引起相互干擾 這些影響也發(fā)生在高速旋轉(zhuǎn)的圓柱滾子軸承 圖 3 說(shuō)明了多點(diǎn) 4P 軸承的內(nèi)圈和外圈在 1 赫茲和 4 赫茲下的接觸壓力 這些直接接觸直接 傳遞到軸向荷載 見(jiàn)圖表 和最大程度所受壓力上 軸承的徑向間隙顯示為 22 微米的 為了防止內(nèi)圈彈出 應(yīng)選擇合適的內(nèi)圈并與軸之間有 35 微米的間隙量 因此 軸承是提前被安裝上的 曲線 1 和 2 不考慮軸承計(jì)算的熱效應(yīng) 高應(yīng)力 值在內(nèi)圈滾道曲率的結(jié)果上是很廣的 赫茲壓力的增加造成的內(nèi)圈離心的擴(kuò)張 以及作用在球上的離心力增大 圖 3 在多點(diǎn) 4P 軸承在赫茲壓力下速度和溫度 相反 曲線 3 和 4 顯示內(nèi)圈結(jié)合離心力超溫 線性增加 的影響 通過(guò)假 設(shè)并計(jì)算一個(gè)梯度為 1K 2000 rpm 的曲線 其內(nèi)部應(yīng)力顯著增加 這是可以注 意到的 在最大轉(zhuǎn)速 30000 rpm 的赫茲壓力下 內(nèi)環(huán)上升超過(guò)限制值為 2000 N mm 除了這些理論結(jié)果 還要必須考慮到內(nèi)部應(yīng)力的熱增加和過(guò)載的耦合 效應(yīng) 因此 人們可以看到一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn) 4P 軸承的干擾在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下 內(nèi)圈溫度明顯過(guò)剩 這個(gè)假設(shè)將在第 2 3 節(jié)中進(jìn)行研究 圖 2 c 顯示出第三個(gè)概念的新軸承幾何形狀的 它是為了防止在多點(diǎn) 4P 軸承的內(nèi)部超載而開(kāi)發(fā)的 概念的特征是分割內(nèi)環(huán) 它是一半固定在主 軸體面向主軸的刀具側(cè)面的環(huán) 于是 它可以承受從加工過(guò)程中產(chǎn)生的力 環(huán) 下半部分可沿軸軸向移動(dòng) 并通過(guò)碟形彈簧壓向球 形成軸承的內(nèi)部預(yù)壓功能 圖 4 中說(shuō)明了假設(shè)多余的溫度高達(dá) 15 K 線性 見(jiàn)圖 3 多點(diǎn) 4P 軸承 的內(nèi)圈在計(jì)算速度依賴性和運(yùn)動(dòng)學(xué)預(yù)裝中的發(fā)展 內(nèi)部彈簧預(yù)緊量為 370N 圖 4 內(nèi)部彈簧預(yù)緊為 370N 的多點(diǎn) 4P 軸承 2 3 多點(diǎn) 4P 軸承的試驗(yàn)及研究 該試驗(yàn)臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)研究如圖 6 其直接驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 40 000 rpm 的最大 轉(zhuǎn)速 額定扭矩達(dá) 4 2Nm 額定轉(zhuǎn)速為 23 000 rpm 測(cè)試主軸和驅(qū)動(dòng)由一個(gè)爪 式離合器相連接 試驗(yàn)軸承可沿軸向由一個(gè)液壓活塞被加載 外圈的回火是通 過(guò)水的循環(huán)在凸緣上實(shí)現(xiàn)的 由此 引起的附加滾動(dòng)接觸的外圈的加熱可被減 小 內(nèi)軸承的溫度是由一個(gè)接近內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的非接觸式傳感器來(lái)測(cè)量的 圖 6 試驗(yàn)臺(tái) 圖 7 中顯示的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對(duì)多點(diǎn) 4P 軸承的一個(gè)剛性和一個(gè)彈性點(diǎn) 起初 剛性軸承 概念 b 圖 2 所示 是測(cè)試的 在測(cè)試中進(jìn)行不回火的外圈 接著 將柔性軸承 概念 c 圖 2 所示 與所述外圈的回火進(jìn)行了測(cè)試 測(cè)得 的溫度顯示相關(guān)的環(huán)境溫度 在測(cè)試過(guò)程中的扭矩值來(lái)自電動(dòng)機(jī)的電流 在圖 7 中使用的縮寫在表 2 中說(shuō)明 表 2 在圖 7 中使用的縮寫 曲線 IT1 和 OT1 說(shuō)明第一個(gè)試驗(yàn)軸承的內(nèi)圈和外圈的溫度 如概念 b 所 示 軸向載荷達(dá) 1 000 N 5 克的軸承轉(zhuǎn)速高達(dá) 19000 轉(zhuǎn) 每 2 小時(shí)增加 2000 轉(zhuǎn) 圖 7 多點(diǎn) 4P 軸承的行為操作 3 可移動(dòng)的彈性圓柱滾子軸承 最高轉(zhuǎn)速主軸單元通常是基于角接觸球軸承的彈性裝置設(shè)計(jì)的 這種主軸 由一個(gè)固定和移動(dòng)軸承單元 以補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)的主軸伸長(zhǎng)率來(lái)設(shè)計(jì)的 主軸在溫 度梯度的情況下 軸承套圈的外殼的軸向運(yùn)動(dòng)可減少甚至避免造成主軸故障 在這種情況下 圓柱滾子軸承可稱為一個(gè) 理想 的移動(dòng)軸承 軸向相對(duì)的 內(nèi) 外環(huán)是由一個(gè)螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)來(lái)運(yùn)動(dòng)的 然而 由于徑向干擾溫度及離心 力作用于軸承組件而造成可達(dá)到的旋轉(zhuǎn)速度 因此 對(duì)高速圓柱滾子軸承的方 法是減少基于功率損失而造成內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和增加在線接觸赫茲壓力 4 對(duì)軸承的故障安全特性功率的優(yōu)化 除了軸承設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā) 更多的研究工作集中在傳統(tǒng)主軸軸承的故障安全性 能的最優(yōu)化上 主軸故障往往是由潤(rùn)滑不足造成的 特別是潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑 潤(rùn) 滑劑的供給不足 這些都可能會(huì)導(dǎo)致軸承的保持架破損或過(guò)熱 5 總結(jié) 根據(jù)所設(shè)計(jì)的主軸角接觸球軸承以及圓柱滾子軸承的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài) 被 廣泛用于高速主軸的應(yīng)用程序中 然而 這兩種類型的軸承的旋轉(zhuǎn)速度是有限 的 特別是通過(guò)物理作用如熱和離心載荷 在本文中 一些方法都瞄準(zhǔn)在軸承 上的提高穩(wěn)定性和速度性能 然而 由于不充分的滑動(dòng)軸承襯套 可動(dòng)軸承可能也會(huì)失敗 因此 適應(yīng) 于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的圓柱滾子軸承的開(kāi)發(fā)工作尤為重要 軸承比傳統(tǒng)的圓柱滾子軸承 表現(xiàn)出更高的合規(guī)性 這個(gè)屬性是通過(guò)提供狹窄水道或外圈和內(nèi)圈與地面形成 凹槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的 在實(shí)際測(cè)試中 這些軸承比傳統(tǒng)類型達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速 最后 介紹了涂層下故障安全特性的主軸軸承潤(rùn)滑不足的情況的優(yōu)化 6 參考文獻(xiàn) 1 Weck M Spachtholz G 2003 3 and 4 Contact Point Spindle Bearings a new Approach for High Speed Spindle Systems Annals of the CIRP 52 1 311 316 2 Moller B 2006 Hochgeschwindigkeits Spindellager Proceedings Gestaltung von Spindel Lager Systemen WZL Forum Publisher Aachen 3 Harris T A 2001 Rolling Bearing Analysis 4th Edition John Wiley Sons Inc New York 4 Cao Y Altintas Y 2004 A General Method for the Modeling of Spindle Bearing Systems Journal of Mechanical Design Vol 126 1089 1104 5 Yangang W et al 2004 FE Analysis of a novel Roller Form a deep End Cavity Roller for Roller 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