李 彥，薛進(jìn)學(xué)

我國數(shù)控機(jī)床行業(yè)在國家經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長的背景下，得到了快速發(fā)展。作為機(jī)床的心臟——電主軸產(chǎn)業(yè)發(fā)展尤為迅速。電主軸即電機(jī)內(nèi)置式主軸，因其不在使用皮帶、齒輪的中間傳動部分，從而實(shí)現(xiàn)“零傳動”。電主軸的制造技術(shù)作為制造業(yè)領(lǐng)域的先進(jìn)制造技術(shù)之一，其發(fā)展不僅在很大程度上影響現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，還可以帶動高性能刀具、高端軸承制造等一些列相關(guān)技術(shù)的發(fā)展[1]。主軸回轉(zhuǎn)精度是影響磨加工品質(zhì)與生產(chǎn)效率的重要因素，也是電主軸單元的最基本指標(biāo)，也是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一。因此，研究電主軸單元回轉(zhuǎn)精度有著極其重要的現(xiàn)實(shí)意義。本文通過對影響電主軸旋轉(zhuǎn)精度的主要因素分析并提出了相應(yīng)的解決辦法。

1 主軸旋轉(zhuǎn)精度概述

主軸的回轉(zhuǎn)軸線在理想情況下位置是固定的。但實(shí)際中由于轉(zhuǎn)軸精度、軸承精度、軸承座孔誤差和主軸系統(tǒng)的振動等因素，會造成回轉(zhuǎn)軸線的空間位置在每個瞬間均是不斷變化的。瞬間變化軸線的平均空間位置稱為理想旋轉(zhuǎn)軸線。主軸旋轉(zhuǎn)精度誤差即是指主軸旋轉(zhuǎn)軸線的瞬間空間位置相對于理想旋轉(zhuǎn)軸線的空間位置偏差。誤差范圍即主軸的旋轉(zhuǎn)精度[2]。圖1將主軸旋轉(zhuǎn)誤差分為純徑向跳動誤差△r（圖1a）、純徑向傳動△s（圖1b）、純角度擺動誤差△φ（圖1c）。主軸單元的旋轉(zhuǎn)誤差是上述三項(xiàng)誤差的綜合反映。

圖1 主軸單元的旋轉(zhuǎn)誤差

徑向回轉(zhuǎn)誤差值隨離支承點(diǎn)距離增加呈線性放大。因此，主軸徑向測量點(diǎn)位置的不同，回轉(zhuǎn)誤差的測量值也不同，越遠(yuǎn)離支承點(diǎn)，誤差越大。

電主軸實(shí)際制造過程中，主軸單元的旋轉(zhuǎn)精度是指在裝配完成后，電主軸在無負(fù)載、低轉(zhuǎn)速運(yùn)動的情況下，采用單向測量或綜合測量等方法，檢測主軸外伸端部位及刀柄部分的徑向跳動和端面跳動[3]。其旋轉(zhuǎn)精度取決于各關(guān)鍵部件的加工精度、軸承精度和裝配精度等。

2 影響電主軸旋轉(zhuǎn)精度的因素

電主軸系統(tǒng)本身并不復(fù)雜，由機(jī)械部件（包括轉(zhuǎn)軸、殼體、軸承座等）、支承部件（前、后軸承）、電機(jī)部件（電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子、定子冷卻套）組成。其結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2 電主軸結(jié)構(gòu)圖

2.1 滾動軸承

軸承精度影響主軸單元的旋轉(zhuǎn)精度，軸承精度越高，越有利于提高主軸單元的剛度和抗振性，從而減少磨損，提高壽命。

主軸單元中，在主軸單元的結(jié)構(gòu)中，其前、后軸承精度對主軸旋轉(zhuǎn)精度的影響是不同的。如圖3所示。圖中L為前、后軸承支承間跨距，a為懸伸量。

圖3 前后軸承軸心偏移對主軸軸端的影響

圖3 （a）表示后軸承無偏移量，僅前軸承軸心有偏移量δa，最終反映到主軸軸端的偏移量為：

圖 3（b）表示與（a）相反，前軸承無偏移量，僅后軸承軸心有偏移量δb，反映到軸端的偏移量為：

如果δa=δb，即前軸承偏移量和后軸承偏移量相等，從圖3可以看出δ1＞δ2，即主軸單元的回轉(zhuǎn)精度受前軸承回轉(zhuǎn)精度影響較大，故電主軸單元軸承選取時，在滿足電主軸性能要求的前提下，可以選擇后軸承精度等級低于前軸承，這樣也有利于提高電主軸單元的經(jīng)濟(jì)性。

不同精度等級的機(jī)床，主軸軸承的精度可以參考表1[4].

表1 機(jī)床主軸軸承精度

2.2 滾動軸承游隙的影響

角接觸球軸承游隙也是影響主軸單元回轉(zhuǎn)精度重要因素，主軸在受外力的作用下發(fā)生靜位移，承載中心區(qū)交替出現(xiàn)在兩滾動體之間，從而造成軸心出現(xiàn)偏移變動量e（見圖4），主軸回轉(zhuǎn)中心線呈現(xiàn)復(fù)雜的周期運(yùn)動。故減小游隙值，能減小偏移量e，降低其對主軸回轉(zhuǎn)精度的影響。

圖4 軸承游隙的影響

減小或消除游隙，常用方法是用施加預(yù)負(fù)荷的方法來消除軸承溝道與滾動體之間的游隙，甚至使之形成負(fù)游隙，這樣軸承溝道在預(yù)負(fù)荷的受迫下產(chǎn)生一定的彈性變形。受預(yù)加負(fù)荷作用，溝道和滾動體產(chǎn)生過盈，此時承受載荷的滾動體數(shù)目增多，滾動體受力均勻。這樣，電主軸高速回轉(zhuǎn)時，預(yù)先對軸承施加預(yù)負(fù)荷可以提高主軸單元的回轉(zhuǎn)精度，同時還增加主軸單元的剛度。有利于提高軸承套圈的表面質(zhì)量，降低主軸系統(tǒng)振動，降低主軸系統(tǒng)噪聲，提升主軸系統(tǒng)壽命[5]。

有研究也表明，高速、高預(yù)載下主軸精度和剛度雖然增加，但超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，造軸承本身會產(chǎn)生較大負(fù)荷，同時主軸單元內(nèi)部的熱源產(chǎn)生的高溫傳導(dǎo)至軸承會改變軸承的初始狀態(tài)。二者疊加，使軸承高速時受到的實(shí)際預(yù)緊力要遠(yuǎn)大于初期設(shè)定的預(yù)緊力。這樣，會導(dǎo)致軸承溫度升高而燒毀[6]。因此，針對軸承不同的工作條件，應(yīng)選取最佳的預(yù)載荷值。

2.3 定向裝配法

定向裝配法廣泛地應(yīng)用于軸系單元的精密裝配中，是指將軸系上各零件誤差按照一定的方向進(jìn)行裝配，使各誤差可以得到相互補(bǔ)償?shù)囊环N裝配方法。該方法可提高主軸單元的旋轉(zhuǎn)精度。

裝配前，首先將前、后軸承內(nèi)孔的徑向跳動最大點(diǎn)（精密級軸承的跳動量最大點(diǎn)已表明在軸承端面上）放在同一相位上，將主軸刀柄孔的徑向跳動最高點(diǎn)放在與其相反的相位上。檢測出軸承內(nèi)圈的徑向偏移量，最大值記為δ1；檢測出刀柄孔的徑向偏移量，最大值記為δ2.安裝時，使主軸徑面的中心和軸承內(nèi)圈的中心重合。若兩偏移量方向相同，則主軸刀柄孔中心的偏移量 δ= δ1+ δ2，如圖 5（a）；若偏移量方向相反，如圖5（b），則主軸刀柄孔中心的偏移量為δ= δ1- δ2.可以看出，采用圖 5（b）裝配方法完成主軸單元裝配后，主軸旋轉(zhuǎn)精度更高。

圖5 定向裝配法原理

按照定向裝配法裝配時，主軸與軸承內(nèi)圈及軸承外圈與軸承座孔的周向位置固定后，不允許發(fā)生相對轉(zhuǎn)動，否則已調(diào)整好的旋轉(zhuǎn)精度將被破壞，因此，電主軸拆卸前，須在內(nèi)圈與主軸間、外圈與軸承座間標(biāo)識好記號。重新裝配時可“按圖索驥”，避免錯位安裝造成主軸旋轉(zhuǎn)精度變差。

3 結(jié)束語

通過從主軸軸承精度選用、軸承游隙控制及主軸單元裝配方法等方面分析了影響電主軸旋轉(zhuǎn)精度的因素。研究內(nèi)容表明：

（1）合理選擇軸承精度是提高電主軸單元旋轉(zhuǎn)精度的前提；

（2）根據(jù)主軸的工況和軸承的特點(diǎn)，選擇施加合適預(yù)緊力是必要的；

（3）裝配時要選擇定向裝配法，對于相同精度的軸承和主軸，定向裝配法可以提高主軸單元的旋轉(zhuǎn)精度。

[1]閆紅衛(wèi)，徐同申.國內(nèi)高速電主軸的應(yīng)用與發(fā)展[J].現(xiàn)代金屬加工，2007（3）：58-62.

[2]黃開榜，張慶春，那海濤.金屬切削機(jī)床哈爾濱[M].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1998.

[3]文懷心，夏 田.數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]杜君文.機(jī)械制造技術(shù)裝配及設(shè)計(jì)[M].天津：天津大學(xué)出版社，1998.

[5]王國華，叢志鵬.提高主軸組件精度的措施[J].金屬加工2009（2）：59-61.

[6]Schmitz T，Ziegert J.A new sensor for the micrometer-leve measurement of three-dimensional，dynamic contours[J].Mea surement Sience and Technology.1999，10（2）：51-62.