王 勝

(沈陽(yáng)市政府投資項(xiàng)目評(píng)審中心，遼寧 沈陽(yáng) 110014)

隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，大型鏜銑加工中心的主軸系統(tǒng)正向著高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛度以及高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。角接觸球軸承以其高轉(zhuǎn)速、高精度的特性，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于加工中心的主軸系統(tǒng)。本文以從德國(guó)引進(jìn)的產(chǎn)品HMC100的主軸系統(tǒng)為例，分別就回轉(zhuǎn)精度分析與調(diào)整、剛度分析與調(diào)整以及溫升分析與控制等三方面來(lái)說(shuō)明角接觸球軸承主軸組的裝配與調(diào)整要點(diǎn)。

1 主軸回轉(zhuǎn)精度分析與裝配調(diào)整

HMC100型臥式加工中心的主軸系統(tǒng)是由主軸、支承套、內(nèi)隔套、箱體及前后軸承等零件組成的(如圖1所示)，其主軸回轉(zhuǎn)精度包括主軸錐孔徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)和鏜孔圓度(工作精度)。

圖1 HMC100產(chǎn)品主軸結(jié)構(gòu)示意圖

a.引起主軸錐孔徑向跳動(dòng)的原因及控制要點(diǎn)。

(1)主軸回轉(zhuǎn)軸線運(yùn)動(dòng)軌跡“漂移”。

鏜銑類機(jī)床刀具隨主軸旋轉(zhuǎn)，軸承外環(huán)內(nèi)滾道的圓度誤差直接導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)軸線的運(yùn)動(dòng)軌跡產(chǎn)生“漂移”，產(chǎn)生主軸徑向跳動(dòng)。在切削力的作用下，軸承外環(huán)內(nèi)滾道的圓度誤差也會(huì)復(fù)映到鏜孔的圓度上。

支承套受卡架磨削方式影響，外圓圓度誤差直接復(fù)映到內(nèi)孔上，其誤差相位角度相差90°，支承套與箱體過(guò)盈配合后受擠壓作用影響會(huì)加劇支承套內(nèi)孔的變形，進(jìn)一步將使軸承外環(huán)發(fā)生變形，使其內(nèi)滾道圓度產(chǎn)生誤差。

在加工裝配過(guò)程中必須嚴(yán)格控制箱體孔的圓度、支承套內(nèi)孔及外圓的圓度以及與箱體孔的配合誤差，保證主軸軸承裝配后外環(huán)內(nèi)滾道的圓度。

(2)定心軸頸與主軸回轉(zhuǎn)軸線的同軸度誤差。

假設(shè)前軸承內(nèi)環(huán)軌道與內(nèi)孔的偏心矢量為e1，后軸承內(nèi)環(huán)軌道與內(nèi)孔的偏心矢量為e2，主軸錐孔與支承軸徑的偏心矢量為e3，3個(gè)矢量e1，e2，e3綜合作用的結(jié)果為:e=e'1+e'2+e3，圖2為誤差矢量合成圖。

圖2 誤差矢量合成圖

圖中:e1'=(1+A/L)e1;e2'=(A/L)e2。

可見(jiàn)，當(dāng)|e1'|，|e2'|，|e|相差不大，在充分可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)支撐下，通過(guò)控制各誤差矢量的方向，可使各誤差相互“抵消”，使總誤差|e|趨近零或最小。因此，控制定心軸頸與主軸回轉(zhuǎn)軸線的同軸度誤差的要點(diǎn)是:使e1與e2的相位一致且與e3相位差180°。

高精度軸承內(nèi)外環(huán)最厚點(diǎn)(最大偏心點(diǎn))均在出廠時(shí)做了標(biāo)記并給出了偏心值。在實(shí)際裝配過(guò)程中，利用上述誤差補(bǔ)償原理，通過(guò)事先預(yù)檢，裝配時(shí)使各軸承內(nèi)外環(huán)上的標(biāo)記處于一條線上，并且使內(nèi)環(huán)上的標(biāo)記相對(duì)于主軸錐孔徑向跳動(dòng)最高點(diǎn)相差180°，這樣可使各誤差得到部分“抵消”，實(shí)踐證明這是一種行之有效的方法。

b.引起軸向竄動(dòng)的原因及控制要點(diǎn)。

引起軸向竄動(dòng)的因素有兩個(gè):滾道偏斜和主軸軸肩相對(duì)于回轉(zhuǎn)軸線的不垂直度。

要避免或減少此項(xiàng)誤差，要點(diǎn)在于控制支承套內(nèi)孔端面的端面跳動(dòng)、軸肩的垂直度以及內(nèi)隔套的平行度。

c.主軸回轉(zhuǎn)精度的測(cè)量。

在機(jī)床制造工廠，常常沿用傳統(tǒng)的方法檢測(cè)主軸錐孔的徑向跳動(dòng)，即用檢棒每轉(zhuǎn)90°檢測(cè)一次徑向跳動(dòng)值，然后將4次測(cè)量結(jié)果的算術(shù)平均值視為主軸徑向跳動(dòng)誤差，但這是不科學(xué)的，因?yàn)檫@是建立在檢棒精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸回轉(zhuǎn)精度的前提下而得出的結(jié)論，實(shí)際上由于檢棒常常因使用不當(dāng)發(fā)生變形，而這種變形引起的誤差對(duì)于精密機(jī)床而言是不容忽視的。主軸徑向跳動(dòng)檢測(cè)方法如圖3所示，正確的徑向跳動(dòng)精度檢測(cè)方法如下:

(1)改變主軸與檢棒的相互位置，測(cè)出最大徑向跳動(dòng)值A(chǔ)，在最大徑向跳動(dòng)位置處的主軸和檢棒上做標(biāo)記，用兩個(gè)“點(diǎn)”標(biāo)記相互位置。

(2)檢棒旋轉(zhuǎn)180°，再次測(cè)出徑向跳動(dòng)值，設(shè)其值為B。檢棒旋轉(zhuǎn)180°之后，主軸最大徑向跳動(dòng)值發(fā)生的位置有兩種可能:①在主軸上的標(biāo)記處，此種情況下主軸的真實(shí)徑向跳動(dòng)誤差為e=|A+B|/2;②在檢棒上的標(biāo)記處，此種情況下主軸的真實(shí)徑向跳動(dòng)誤差為e=|A-B|/2。

圖3 主軸徑向跳動(dòng)檢測(cè)方法示意圖

2 主軸組剛度分析及調(diào)整計(jì)算

主軸剛度是重要的性能指標(biāo)，影響主軸剛度的因素:一是主軸軸承的預(yù)緊量;二是主軸組各零件間的(過(guò)盈或間隙)配合狀態(tài)。

2.1 主軸軸承的預(yù)緊

主軸軸承的預(yù)緊不僅能提高主軸剛性，還具有如下作用:(1)提高運(yùn)轉(zhuǎn)精度。(2)避免滾動(dòng)體與滾道之間發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。預(yù)緊力不足時(shí)，高轉(zhuǎn)速情況下滾動(dòng)體在離心力作用下，在內(nèi)環(huán)及外環(huán)的接觸位置發(fā)生變化造成接觸角度不一致，從而導(dǎo)致滾動(dòng)體與滾道發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，滑動(dòng)將破壞油膜，引起磨損及溫升。(3)補(bǔ)償因跑合和磨損造成的間隙。(4)延長(zhǎng)軸承的使用壽命。(5)使運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲。

軸承預(yù)緊力的大小可用軸向預(yù)緊量、徑向預(yù)緊量以及摩擦啟動(dòng)力矩等方式表示，工程上以使用軸向預(yù)緊量(控制間隔套尺寸)最為方便。

為了能準(zhǔn)確確定間隔套尺寸，必須先了解軸承的力-變形方程。

根據(jù)球面接觸的赫茲變形方程，可推導(dǎo)出單個(gè)角接觸球軸承的力-變形方程如下:

式中:k為軸承系數(shù)(本文產(chǎn)品為0.07684);δ為軸向變形量;F為軸向預(yù)緊力。

成對(duì)安裝的一組軸承經(jīng)預(yù)緊后，其受力與變形不同于單個(gè)軸承的受力與變形。圖4所示為軸承組受力與變形示意圖，對(duì)于單個(gè)軸承，在預(yù)緊力F0的基礎(chǔ)上再產(chǎn)生軸向變形δ，只需力A1即可;而成對(duì)安裝(成對(duì)指背對(duì)背或面對(duì)面，非指并列兩個(gè)軸承)并經(jīng)過(guò)預(yù)緊后，再要發(fā)生軸向變形δ，則需外力為A1+A2。若兩個(gè)軸承型號(hào)相同，則A1=A2，可見(jiàn)剛度提高了1倍。

圖4 軸承組受力與變形示意圖

根據(jù)公式 (1)可知，當(dāng)外力A=2.83F0時(shí)，軸承組的預(yù)緊將完全被解除。機(jī)床主軸組預(yù)緊力不足時(shí)，在切削力作用下便容易產(chǎn)生這種狀況。因此主軸組設(shè)計(jì)參數(shù)中往往給出軸向抗力這一參數(shù)，目的就在于此。

根據(jù)圖4可以建立預(yù)緊后軸承組的力-變形方程

對(duì)式(2)求導(dǎo)數(shù)，得出剛度方程

對(duì)剛度方程(3)求二階導(dǎo)數(shù)得

從公式(4)可以看出F″＜0，由此可以判定成組預(yù)緊后的軸承組的剛度將隨外力的增加而剛度遞減。圖5所示為單個(gè)軸承及成對(duì)軸承的力-變形曲線。

圖5 單個(gè)軸承及成對(duì)軸承的力-變形曲線

許多軸承制造廠家提供成組的角接觸球軸承。軸承組可以由兩個(gè)或多個(gè)軸承組成，軸承組在外環(huán)上有成組標(biāo)記“ ＞”。軸承組是按直徑公差及內(nèi)部間隙選配的。當(dāng)某軸承組按成組標(biāo)記“ ＞”方向排列而且互相靠緊時(shí)，則預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊量就會(huì)在軸承間形成。

有的軸承廠家提供萬(wàn)向端面軸承(Bearing for universal mounting)，這種軸承內(nèi)外圈等寬，以軸承圈的端面作為調(diào)整環(huán)節(jié)，當(dāng)軸承為背對(duì)背或面對(duì)面排列而互相靠緊時(shí)，預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊力便可自動(dòng)形成，可以節(jié)省測(cè)量軸承端面臺(tái)階差及制造不等寬間隔套的加工過(guò)程，內(nèi)外間隔套可以一次裝夾，同時(shí)磨削，保證平行等寬。當(dāng)軸承采用串聯(lián)同向方式排列時(shí)，可以平均分配外界負(fù)荷。如果能選擇上述類型軸承，則可以大大減少調(diào)整工作量。

軸承力-變形方程中軸承系數(shù)是隨軸承型號(hào)變化而變化的，系數(shù)不確定時(shí)只能做定性分析，只有當(dāng)系數(shù)確定后，才能做定量分析。個(gè)別軸承廠家提供的內(nèi)部資料中，給出了各種軸承預(yù)設(shè)的預(yù)緊力值(輕、中、重3種)以及從一種預(yù)緊級(jí)別向另一種級(jí)別改變時(shí)，內(nèi)外環(huán)臺(tái)階差的軸向改變量。據(jù)此，可以推算出特定軸承的軸承系數(shù)。

2.2 主軸組各零件間的配合狀態(tài)

當(dāng)軸承被過(guò)盈地裝配到主軸上時(shí)，其內(nèi)環(huán)軌道將膨脹，當(dāng)軸承被過(guò)盈裝入軸承座孔中，其外環(huán)軌道將受壓縮小，這兩種情況都會(huì)改變軸承組的設(shè)定預(yù)緊力。

軸承和支承孔及軸頸的配合狀態(tài)與軸承滾道直徑的變化關(guān)系可以由圖6～10查出。當(dāng)徑向膨脹量或壓縮量確定后，軸向預(yù)緊量的改變可通過(guò)圖7～9查出。圖10給出了不同接觸角時(shí)軸向預(yù)緊改變量與徑向預(yù)緊改變量之間的關(guān)系。

圖6 參數(shù)圖

圖7 內(nèi)環(huán)滾道變形圖(鋼軸)

圖8 外環(huán)滾道變形圖(鑄鐵座)

以HMC100產(chǎn)品為例，若主軸軸承71932/QBCP4與主軸配合過(guò)盈量為7μm，與支承套孔過(guò)盈量為5μm，其他參數(shù)可通過(guò)查圖確定:de/d=178/160=1.11;di/d=72/160=0.45;De/D=265/220=1.2;Di/D=202/220=0.92。

圖9 外環(huán)滾道變形圖(鋼質(zhì)孔座)

圖10 軸向-徑向變形量關(guān)系圖

根據(jù) de/d及 di/d值，查圖7可得 δi/Δi=0.85，由此可得內(nèi)環(huán)滾道將因膨脹而增加0.85×7=5.95μm的徑向預(yù)緊量。

根據(jù)De/D及 Di/D值，查圖9可得 δe/Δe=0.63，由此可得外環(huán)滾道因受壓縮而增加0.63×5=3.15μm的徑向預(yù)緊量。

總的徑向預(yù)緊量將為 5.95+3.15=9.1μm 。該軸承的接觸角為25°，從圖10可查得軸向預(yù)緊量將增加19.5μm。這意味著當(dāng)軸承以背對(duì)背方式排列時(shí)，若要求裝配后的預(yù)緊力與零配合狀態(tài)下的預(yù)緊力相同，則內(nèi)環(huán)隔套需增長(zhǎng)19.56μm(即內(nèi)隔套需加寬19.56μm)。

軸承樣本中通常會(huì)給出軸承與軸及軸承座孔的配合推薦值，必須嚴(yán)格遵守。實(shí)際制造過(guò)程中，由于零件精度要求過(guò)嚴(yán)，常常發(fā)生零件超差現(xiàn)象，為了不使價(jià)格昂貴的零件因某項(xiàng)精度不合而報(bào)廢，就必須掌握超差對(duì)預(yù)緊量的影響規(guī)律，從而通過(guò)改變內(nèi)隔套的尺寸來(lái)抵消這一影響。

3 主軸組溫升分析與控制

在脂潤(rùn)滑主軸設(shè)計(jì)中，預(yù)緊力及潤(rùn)滑脂都會(huì)影響主軸的溫升。

3.1 預(yù)緊力的影響

a.預(yù)緊力過(guò)大的影響。預(yù)緊力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致溫升過(guò)大，因此必須密切注意軸承軸向間隙，內(nèi)外隔套的尺寸及各部位配合狀態(tài)。

b.預(yù)緊力不足。預(yù)緊力不足會(huì)降低主軸剛性，在高轉(zhuǎn)速下，滾珠在離心力作用下，滾珠的軌道接觸點(diǎn)移至外圈軌道的底部，而產(chǎn)生不同的接觸角(如圖11所示)，在此種情況下，真正的滾動(dòng)不可能發(fā)生，最后必然破壞潤(rùn)滑油膜并產(chǎn)生滑動(dòng)現(xiàn)象，使軸承磨耗并損壞。

圖11 接觸角的變化

式中:dw為滾珠直徑;dm為軸承內(nèi)徑與外徑的平均值;f為摩擦系數(shù)，一般取0.06;z為滾珠數(shù)量;n為轉(zhuǎn)速;α為軸承接觸角;Famin為最低預(yù)緊力。

由于現(xiàn)代加工中心均向著高轉(zhuǎn)速趨勢(shì)發(fā)展，因此必須核算最高轉(zhuǎn)速時(shí)在一定外力作用下的殘余預(yù)緊力是否能夠避免軌道與滾動(dòng)體擦傷。在外力作用下的殘余預(yù)緊力的計(jì)算可通過(guò)圖5、公式(1)及公式(2)推導(dǎo)求得。

3.2 潤(rùn)滑脂

脂潤(rùn)滑簡(jiǎn)單、價(jià)廉，是目前最普遍的潤(rùn)滑方式。如果選擇與使用得當(dāng)，溫升可以很低，同時(shí)還能允許高轉(zhuǎn)速。由于潤(rùn)滑脂需定期補(bǔ)充，所以轉(zhuǎn)速及在某轉(zhuǎn)速下可連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的期限都受到了限制，但很多機(jī)床盡管設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速范圍很寬，但極限轉(zhuǎn)速下的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)，在這種情況下可以不必補(bǔ)充潤(rùn)滑脂就能保證很長(zhǎng)的服務(wù)壽命。

a.潤(rùn)滑脂的種類。

主軸軸承最常用的潤(rùn)滑脂是鋰基潤(rùn)滑脂和復(fù)

避免滑動(dòng)的最小預(yù)緊力可通過(guò)下面的公式求得:合鈣基潤(rùn)滑脂，這兩類的潤(rùn)滑脂工作溫度范圍很寬，一般均超出-30℃ ～110℃范圍。

b.填充量。

高速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸不可加入過(guò)多的潤(rùn)滑脂，否則因?yàn)闈L子的攪拌發(fā)熱而使主軸溫升升高，亦會(huì)延長(zhǎng)跑合時(shí)間。如果加入量過(guò)少，雖然溫升及跑合時(shí)間可大大減少，但會(huì)影響主軸軸承的潤(rùn)滑壽命。在無(wú)法定期添加潤(rùn)滑脂的場(chǎng)合，加入量過(guò)少也是一種不負(fù)責(zé)的做法。對(duì)于角接觸球軸承，其正確的潤(rùn)滑脂使用量應(yīng)視其最高轉(zhuǎn)速的高低取軸承滾道空間的12% ～30%。

c.跑合。

跑合是潤(rùn)滑主軸不可缺少的程序。

跑合的目的之一是使軸承內(nèi)多余的潤(rùn)滑脂擠到滾道之外，從而使軸承能在最少油量的潤(rùn)滑條件下，得到最小的阻力與溫升，而那些被排擠在滾道之外的潤(rùn)滑脂就形成一座補(bǔ)給站，使軸承隨時(shí)保持在最佳的潤(rùn)滑狀態(tài)。

跑合的目的之二是檢驗(yàn)主軸組裝配調(diào)整的質(zhì)量。如果經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間的跑合，主軸的溫升不能穩(wěn)定或者降低，則此主軸組在預(yù)緊力、配合狀態(tài)或潤(rùn)滑脂方面必然存在問(wèn)題，需重新裝配調(diào)整。

跑合的方式有多種，其跑合的時(shí)間也不同，但其目的是一致的。跑合時(shí)如果溫升過(guò)快，則軸承與軸承座之間的溫差必然拉大，如此也會(huì)增加軸承的預(yù)緊。所以為了不使軸承超載，跑合時(shí)最好有一套安全的監(jiān)視與自動(dòng)停機(jī)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

目前，還沒(méi)有技術(shù)資料介紹高精度角接觸球軸承主軸組的裝配與調(diào)整要領(lǐng)，如果僅僅按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行加工與裝配是很困難的。一方面，由于加工周期較長(zhǎng)且零件加工精度要求很高，導(dǎo)致價(jià)值不菲的主軸組零件廢品率極高;另一方面，即便按圖示將合格的零組件裝配起來(lái)，其精度和性能也不能達(dá)到理想狀態(tài)。本文將零碎的理論進(jìn)行系統(tǒng)化整理，形成了能夠指導(dǎo)高精度角接觸球軸承主軸組裝配與調(diào)整的比較完整的理論，其理論指導(dǎo)的有效性已經(jīng)通過(guò)了生產(chǎn)實(shí)踐的檢驗(yàn)。本文提出的有關(guān)理論和方法填補(bǔ)了這一領(lǐng)域技術(shù)資料的空白，對(duì)于其他類似主軸組的裝配制造具有一定的參考和指導(dǎo)價(jià)值。