劉光輝，吳文武，洪 軍

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，西安 710049）

0 引言

主軸組件作為機(jī)床的重要組成部分，其動靜態(tài)特性對于機(jī)床的加工精度、表面質(zhì)量以及生產(chǎn)率等都會產(chǎn)生很大的影響。不同的軸承配置形式對主軸系統(tǒng)的性能有著顯著影響，因此，對于主軸系統(tǒng)的軸承配置形式進(jìn)行研究就顯得尤為重要并且具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

已有學(xué)者對影響主軸系統(tǒng)的部分因素進(jìn)行了研究。羅繼偉[1]等對高速機(jī)床主軸支承系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)和配置選擇注意事項(xiàng)進(jìn)行了闡述；劉偉[2]等比較了加工中心主軸常用的六種軸承配置形式，對各配置的特性進(jìn)行了分析；張振山[3]等使用ANSYS對主軸支撐跨距的設(shè)計(jì)方法和步驟進(jìn)行了研究，并對一實(shí)例進(jìn)行優(yōu)化分析；陳潔青[4]等研究了最佳預(yù)緊力的性能指標(biāo)和確定準(zhǔn)則。

但現(xiàn)有文獻(xiàn)對軸承配置的研究僅限于定性分析，并且對軸承不同組合方式對軸系性能的影響研究較少。對于軸承預(yù)緊和前端懸伸，也缺少系統(tǒng)的定量分析。本文以高速、精密主軸常用的角接觸球軸承為研究對象，通過計(jì)算不同主軸結(jié)構(gòu)參數(shù)和配置時(shí)的軸系性能指標(biāo)，對影響軸系性能的因素進(jìn)行系統(tǒng)的分析研究，為實(shí)際主軸設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 仿真分析模型建立

軸系模型采用銑削主軸常用的前后支承結(jié)構(gòu)，前后支承均采用角接觸球軸承，其結(jié)構(gòu)可方便調(diào)節(jié)主軸跨距、懸伸、軸承配置等結(jié)構(gòu)參數(shù)。

以一款高速銑削機(jī)械主軸為參考，使用英國ROMAX科技有限公司開發(fā)的仿真分析軟件對軸系進(jìn)行簡化建模，具體如圖1所示。

圖1 ROMAX軸系仿真模型

銑削主軸基本工況，主軸前端所受切削力為Fx=500N，F(xiàn)y=500N，F(xiàn)z=200N。同時(shí)根據(jù)驅(qū)動電機(jī)參數(shù)，主軸轉(zhuǎn)速為3000rpm。主軸軸承均使用定位預(yù)緊，預(yù)緊量為30μm，軸承編號從左到右依次為1#，2#...。在對軸系進(jìn)行分析時(shí)，軸承配置形式會發(fā)生改變，但建模方式及工況條件保持不變。

2 主軸靜動態(tài)特性仿真分析

以主軸中軸承為主要分析對象，分別從軸承組配形式、軸承間是否使用隔圈、軸承跨距及軸端懸伸量、軸承預(yù)緊四個(gè)方面進(jìn)行分析。

2.1 軸承配對形式對軸系性能影響

在軸承數(shù)量相同的情況下，軸承的分布及配對形式對軸系性能有著很大的影響。

以銑削主軸常用的三套軸承為例，通過不斷變化軸承在軸系上的分布及配對方式，分析各情況下的軸系性能。并分別將仿真分析結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 軸承數(shù)量對軸系性能影響分析結(jié)果

從表1中數(shù)據(jù)可知，各配置中軸承壽命和一階固有頻率相差不大，故著重考慮軸系剛度。

將曲線1與曲線2對比、曲線3與曲線4對比可知，前二后一的軸承分布要優(yōu)于前一后二的軸承分布。故在主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，若需依靠增加軸承來提高軸系剛度，則軸承優(yōu)先加在軸系前端。

對比曲線1和曲線3可知，前后軸承背靠背的配置方式優(yōu)于面對面的軸承配置。

整體分析表明，三套軸承的配置中，方案7的軸承配置形式是最優(yōu)的。

2.2 軸承隔圈對軸系性能影響

隔圈的使用會使得相鄰軸承之間不直接接觸，因此會對軸系的性能產(chǎn)生一定的影響，本小節(jié)以隔圈對主軸系統(tǒng)的影響為研究目標(biāo)，以前二后二配置四套軸承的軸系模型為例，在不改變前后軸承跨距的前提下，對比分析使用隔圈前后軸系性能參數(shù)的變化。

表2 隔圈對軸系性能影響分析結(jié)果

圖3 軸承隔圈對軸系剛度影響

圖4 軸承隔圈對軸承壽命影響

對比圖3的兩曲線可知，使用隔圈可小幅提高軸系剛度，但由于軸承隔圈精度要求較高，并且需要與軸承進(jìn)行配磨，故不推薦通過使用隔圈來達(dá)到提高軸系剛度的目的。

圖2 不同軸承組合對軸系剛度影響

從圖4中兩曲線可知，隔圈對軸承壽命的影響不明顯，當(dāng)前后軸承均為串聯(lián)組配時(shí)，使用隔圈能提高軸承壽命；但當(dāng)前后軸承對為背對背或者面對面組配時(shí)，使用隔圈會降低軸承壽命。但從整體來看，軸承配對方式對壽命的影響遠(yuǎn)大于隔圈的影響。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，使用隔圈可以提高軸系的一階固有頻率，故在軸系設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮通過調(diào)整隔圈來使其固有頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)速避開軸系的工作轉(zhuǎn)速區(qū)。

2.3 跨距及懸伸對軸系性能影響

軸承的跨距以及前段懸伸會影響軸承所受載荷，因此對軸系的性能也會產(chǎn)生較大影響?，F(xiàn)通過控制變量法分別改變軸承的跨距和前端懸伸量來分析軸系特性，分析中采用的軸承配置型式及分析結(jié)果如表3所示。

表3 軸承跨距和主軸懸伸量對軸系性能影響分析結(jié)果

圖5 軸端位移隨懸伸量變化趨勢圖

圖6 軸端位移隨軸承跨距 變化趨勢圖

從圖5中曲線結(jié)果可知，主軸前端懸伸量對主軸系統(tǒng)的剛度有著很大影響，隨著懸伸量的增加，軸系剛度逐漸降低，且下降比較明顯。

從圖6中曲線結(jié)果可知，主軸的跨距在所分析的范圍內(nèi)對主軸系統(tǒng)的剛度影響較小，隨著主軸軸承跨距的增加，軸系剛度略有增加，但效果微弱。但是，軸承跨距對軸系的一階固有頻率影響較大，從圖5中一階固有頻率曲線可知，軸系存在最優(yōu)跨距。

2.4 軸承預(yù)緊力對軸系性能影響

預(yù)緊力對軸承剛度和軸承壽命有著很大的影響。以前二后二四套軸承的主軸系統(tǒng)為研究對象，分析計(jì)算不同軸承預(yù)緊時(shí)軸系剛度和軸承壽命等性能的變化情況。

分析中采用輕預(yù)緊、中度預(yù)緊和重預(yù)緊三種情況，每種預(yù)緊工況對應(yīng)的軸承預(yù)緊量分別為10μm、30μm和50μm。通過ROMAX軟件，分析了前后軸承采用不同預(yù)緊時(shí)軸系性能參數(shù)的變化，具體分析數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如表4所示。

表4 不同軸承預(yù)緊對軸系性能影響分析結(jié)果

圖7 軸承預(yù)緊對軸系剛度影響

圖8 軸承預(yù)緊對軸承壽命影響

由圖7可知，增加軸承預(yù)緊力可顯著提高軸系剛度，但隨著預(yù)緊力的增大，增幅越來越小。

由圖8可知，軸承壽命會隨著預(yù)緊力的增加而大幅降低。總體計(jì)算結(jié)果表明，前后軸承的壽命均會隨著預(yù)緊力的增大而降低，并且前后軸承壽命值相差很小。但由于1#軸承承受前端加載力是最大的，故其壽命最短。

分析表明，在實(shí)際選擇軸承預(yù)緊量時(shí)，需綜合考慮軸系的剛度需求和軸承壽命要求。

3 結(jié)束語

本文通過仿真軟件對主軸軸承系統(tǒng)的特性進(jìn)行了分析，得出不同軸系參數(shù)對主軸系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，從而能對軸系的實(shí)際設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)和數(shù)據(jù)參考，研究結(jié)論如下：

1）軸承配置對軸系性能影響顯著，分析表明，通過增加軸承數(shù)量提高軸系剛度時(shí)，在前端增加軸承效果明顯；對于三套軸承的雙支承結(jié)構(gòu)，前端兩軸承串聯(lián)，整體背靠背配置最優(yōu)。

2）使用隔圈能小幅提高軸系剛度；另外，可以通過調(diào)整隔圈實(shí)現(xiàn)對軸系臨界轉(zhuǎn)速的控制。

3）主軸懸伸量對軸系剛度影響較大，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可盡可能縮短懸伸來提高軸系的剛度；軸承跨距對軸系剛度影響不明顯，可通過綜合分析動態(tài)性能，找出軸承最優(yōu)跨距。

4）提高軸承預(yù)緊能大幅提高軸系剛度，但軸承壽命會隨之降低，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮性能和壽命的需求。

[1] 王玉金,趙韓,羅繼偉.高速機(jī)床主軸支承系統(tǒng)軸承配置分析[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2003,(1):44-46.

[2] 劉偉.臥式加工中心主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].大連理工大學(xué),2009.

[3] 張振山等.淺析利用Ansys軟件合理設(shè)計(jì)機(jī)床主軸支撐跨距[J].制造技術(shù)與機(jī)床,2010,(4):59-60.

[4] 陳潔青,王艷春.電主軸系統(tǒng)的最佳預(yù)緊力研究[J].機(jī)電工程技術(shù),2007,36(7).

[5] 錢木.高速機(jī)床主軸動態(tài)特性研究[D].東南大學(xué),2005.

[6] Hongqi Li,Yung C.shin.Analysis of bearing con figuration effects on high speed spindles using an integrated dynam ic thermo- mechanical spind le model [J].International Journal o f Machine Too ls & Manu facture 44,2004, 347–364.