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中文 3140 字 高性能機床主軸的發(fā)展 摘要 主軸系統(tǒng)在現(xiàn)代機床中的一個重要要求是實現(xiàn)更高的轉速從而提高加工 效率 此外 要使主軸系統(tǒng)在一個給定的轉速范圍內免受不正當的操作條件且 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域的改進研究系統(tǒng) 首先 提出了替代主軸軸承運動學四觸點的新結果 其次 對于浮動軸承的配 置進行了新的解決方案的討論 提出一種改進的圓柱滾子軸承 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的分析研究和實驗測試 關鍵詞 機械 主軸 軸承 1 介紹 現(xiàn)代機床的生產率主要取決于轉速限制和主軸單元的負荷能力 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 10000m min 銑削刀具應用 20 至 30 毫米的直徑來實現(xiàn)非常高的切削速度 從 而達到主軸速度超過 100000 rpm 的要求 根據滾動軸承的技術在本領域的實際 狀態(tài) 這種需求目前只能用平均直徑為 30 毫米的主軸軸承來實現(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 電動機旋轉轉子會 加載到其物理極限 另一方面 主軸還被應用于通用機床 這些特點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速的鋼的粗加工 在這種情況下 大直 徑的主軸和軸承來承受這些載荷 主軸設計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 nxdm 必須增加高達 3 5 4 0 10 6mm min 來充分確保主軸本身和主軸軸承 的剛度和穩(wěn)定性 圖 1 銑刀電機主軸滾動軸承 2 多位 3P 4P 主軸軸承 2 1 軸承幾何優(yōu)化的推動 軸承被主要應用在現(xiàn)代主軸機床中 必須履行最高要求運行精度和剛度 在過去 為了提高軸承的性能開發(fā)了各種修改方法 其中 通過給較小的陶瓷 球以及優(yōu)化的外圈使用特殊潤滑劑 盡管如此 高速運轉還是極大地降低樂軸 承的使用壽命 在操作過程中底層的主要作用是由不同的用途來決定的 尤其 是 高速運轉的內圈和外圈上的接觸角的依賴性偏差導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 陶瓷球受到強烈的負荷 軸承之所以具有不同的內部幾何形狀是為了減少作用在滾珠上離心力所帶 來的負面影響 此外 對軸承的穩(wěn)定性也有所提高 并對傳統(tǒng)軸承的內圈和外 圈滾道提供額外的接觸點 因此 滾珠的軸向和徑向移動被阻止 恒定的接觸 角和軸向位移使內圈可以保證在很寬的速度范圍內運動 上述這種思想被引入 到軸承的設計概念中 如圖 2 所示 a 和 b 圖 2 中的第三個 c 這種新 概念的設計方法在文中也介紹了 圖 2 軸承的不同多點 3 p 4 p 選擇 2 2 多點分析研究 4P 軸承 表一主要研究多點 3P 軸承的操作過程及理論和實踐調查 實驗室測試 的軸承制造機床和生產工程 WZL 是在傳統(tǒng)主軸軸承的基礎上的 也有一些通 過數值計算分析特性的多點 4P 軸承 隨后 關于新軸承的發(fā)展有了進一步的結果 運動學和四個接觸分球正在考慮 被使用 所有的計算都是在軸承型號為 7014 直徑為 12 7mm 的陶瓷球上完成 的 下面的圖中使用縮略語 在表 1 的中列出 表 1 3 4 5 使用的是縮用詞 在 1 的計算中表明 內圈的軸向位移可以減少不到兩個微米 接觸角的變 化依賴速度是可以預防的 但是 多點軸承 4 p 的安裝與徑向間是有間隙的 因此 他們對熱有非常敏感的影響 特別是過度的高溫使得軸承的內圈可能會 引起相互干擾 這些影響也發(fā)生在高速旋轉的圓柱滾子軸承 圖 3 說明了多點 4P 軸承的內圈和外圈在 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 為了防止內圈彈出 應選擇合適的內圈并與軸之間有 35 微米的間隙量 因此 軸承是提前被安裝上的 曲線 1 和 2 不考慮軸承計算的熱效應 高應力 值在內圈滾道曲率的結果上是很廣的 赫茲壓力的增加造成的內圈離心的擴張 以及作用在球上的離心力增大 圖 3 在多點 4P 軸承在赫茲壓力下速度和溫度 相反 曲線 3 和 4 顯示內圈結合離心力超溫 線性增加 的影響 通過假 設并計算一個梯度為 1K 2000 rpm 的曲線 其內部應力顯著增加 這是可以注 意到的 在最大轉速 30000 rpm 的赫茲壓力下 內環(huán)上升超過限制值為 2000 N mm 除了這些理論結果 還要必須考慮到內部應力的熱增加和過載的耦合 效應 因此 人們可以看到一點對多點 4P 軸承的干擾在高速運轉的情況下 內圈溫度明顯過剩 這個假設將在第 2 3 節(jié)中進行研究 圖 2 c 顯示出第三個概念的新軸承幾何形狀的 它是為了防止在多點 4P 軸承的內部超載而開發(fā)的 概念的特征是分割內環(huán) 它是一半固定在主 軸體面向主軸的刀具側面的環(huán) 于是 它可以承受從加工過程中產生的力 環(huán) 下半部分可沿軸軸向移動 并通過碟形彈簧壓向球 形成軸承的內部預壓功能 圖 4 中說明了假設多余的溫度高達 15 K 線性 見圖 3 多點 4P 軸承 的內圈在計算速度依賴性和運動學預裝中的發(fā)展 內部彈簧預緊量為 370N 圖 4 內部彈簧預緊為 370N 的多點 4P 軸承 2 3 多點 4P 軸承的試驗及研究 該試驗臺用于實驗研究如圖 6 其直接驅動可實現(xiàn)高達 40 000 rpm 的最大 轉速 額定扭矩達 4 2Nm 額定轉速為 23 000 rpm 測試主軸和驅動由一個爪 式離合器相連接 試驗軸承可沿軸向由一個液壓活塞被加載 外圈的回火是通 過水的循環(huán)在凸緣上實現(xiàn)的 由此 引起的附加滾動接觸的外圈的加熱可被減 小 內軸承的溫度是由一個接近內圈旋轉的非接觸式傳感器來測量的 圖 6 試驗臺 圖 7 中顯示的是實驗結果為對多點 4P 軸承的一個剛性和一個彈性點 起初 剛性軸承 概念 b 圖 2 所示 是測試的 在測試中進行不回火的外圈 接著 將柔性軸承 概念 c 圖 2 所示 與所述外圈的回火進行了測試 測得 的溫度顯示相關的環(huán)境溫度 在測試過程中的扭矩值來自電動機的電流 在圖 7 中使用的縮寫在表 2 中說明 表 2 在圖 7 中使用的縮寫 曲線 IT1 和 OT1 說明第一個試驗軸承的內圈和外圈的溫度 如概念 b 所 示 軸向載荷達 1 000 N 5 克的軸承轉速高達 19000 轉 每 2 小時增加 2000 轉 圖 7 多點 4P 軸承的行為操作 3 可移動的彈性圓柱滾子軸承 最高轉速主軸單元通常是基于角接觸球軸承的彈性裝置設計的 這種主軸 由一個固定和移動軸承單元 以補償熱運動的主軸伸長率來設計的 主軸在溫 度梯度的情況下 軸承套圈的外殼的軸向運動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 理想 的移動軸承 軸向相對的 內 外環(huán)是由一個螺旋滾筒的旋轉來運動的 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到的旋轉速度 因此 對高速圓柱滾子軸承的方 法是減少基于功率損失而造成內部產生的熱量和增加在線接觸赫茲壓力 4 對軸承的故障安全特性功率的優(yōu)化 除了軸承設計的開發(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滑不足造成的 特別是潤滑脂的潤滑 潤 滑劑的供給不足 這些都可能會導致軸承的保持架破損或過熱 5 總結 根據所設計的主軸角接觸球軸承以及圓柱滾子軸承的現(xiàn)有技術的狀態(tài) 被 廣泛用于高速主軸的應用程序中 然而 這兩種類型的軸承的旋轉速度是有限 的 特別是通過物理作用如熱和離心載荷 在本文中 一些方法都瞄準在軸承 上的提高穩(wěn)定性和速度性能 然而 由于不充分的滑動軸承襯套 可動軸承可能也會失敗 因此 適應 于高速運轉的圓柱滾子軸承的開發(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 這個屬性是通過提供狹窄水道或外圈和內圈與地面形成 凹槽來實現(xiàn)的 在實際測試中 這些軸承比傳統(tǒng)類型達到更高的轉速 最后 介紹了涂層下故障安全特性的主軸軸承潤滑不足的情況的優(yōu)化 6 參考文獻 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 Type Bearings Journal of Materials Processing Technology 145 233 241