張強(qiáng)，陳錦麟，湯田，江灝源

（云南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

磨床的磨削精度和性能是整機(jī)各零部件優(yōu)化匹配的綜合結(jié)果，而主軸則是保證磨床加工精度和粗糙度的最關(guān)鍵功能部件，其作用和地位尤為重要。在磨床生產(chǎn)中運(yùn)用較廣的主軸軸承類型主要有單油楔結(jié)構(gòu)動(dòng)壓軸承和多瓦式調(diào)位多油楔向心動(dòng)壓軸承，但其二者精度和性能越來越難以滿足磨床的總體發(fā)展趨勢(shì)需要，特別是難以滿足大型龍門平磨，導(dǎo)軌磨的精度和性能要求。因此，近年來先后開發(fā)了整體彈性變形動(dòng)壓軸承和多瓦式調(diào)位動(dòng)壓軸承，實(shí)踐證明，特別是新研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)優(yōu)良，性能及經(jīng)濟(jì)效益好，使整機(jī)匹配優(yōu)化，提高了磨床的磨削精度和性能。

1 動(dòng)壓軸承的基本原理

動(dòng)壓軸承按潤滑劑不同分為液體動(dòng)壓軸承和氣體動(dòng)壓軸承，在磨床的生產(chǎn)中常用多油楔液體動(dòng)壓軸承來支撐主軸。動(dòng)壓軸承是靠主軸以足夠的角速度ω（軸頸線速度不小于6米/秒）旋轉(zhuǎn)，將一定黏度的潤滑劑帶入收斂的多油楔中，潤滑劑在收斂的楔形間隙中流動(dòng)，由于油層間的剪切應(yīng)力作用，產(chǎn)生流體動(dòng)力，使相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩表面被油膜隔離，形成純液體摩擦，同時(shí)承受載荷。動(dòng)壓軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗振阻尼好、噪聲小，應(yīng)用滑動(dòng)軸承的主軸系統(tǒng)具有強(qiáng)度和剛度大，承載能力高和使用壽命長等特點(diǎn)，所以動(dòng)壓軸承被廣泛應(yīng)用于磨床主軸設(shè)計(jì)中。

2 磨床主軸常用軸承的性能比較

由于磨床主軸在工作過程中是恒速旋轉(zhuǎn)，動(dòng)載荷是基本恒定的中、輕載荷，但其對(duì)旋轉(zhuǎn)精度、徑向跳動(dòng)及軸向竄動(dòng)要求較高。表1是磨床主軸常用軸承的性能比較，通過對(duì)比和分析可得出動(dòng)壓滑動(dòng)軸承的使用成本價(jià)格適中，且其特點(diǎn)及性能已完全可以滿足磨床主軸的性能要求。因此，在設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)合理的情況下，運(yùn)用動(dòng)壓軸承來支撐磨床主軸可以較好地提升磨床性能，具有較高的性價(jià)比。

表1 常用軸承性能比較

3 動(dòng)壓軸承在磨床主軸系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用

目前國內(nèi)比較知名的磨床廠家有上海機(jī)床廠、云南磨床廠、杭州機(jī)床股份有限公司等幾家公司，這些廠家在生產(chǎn)平面磨床主軸時(shí)常用的動(dòng)壓軸承有單油楔整體軸承、多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承（簡稱短三瓦軸承）和整體彈性變形軸承三種，用量較大，使用效果良好。但這三種軸承都存在不同方面缺陷問題，自身缺陷制約了這三種軸承在大型龍門平磨和導(dǎo)軌磨生產(chǎn)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣及使用。為解決該問題，滿足大型磨床的性能需求，最新自主研發(fā)了多瓦式調(diào)位軸承，該軸承是目前國內(nèi)最先進(jìn)的動(dòng)壓軸承之一，性能優(yōu)越，目前已正式用于云南磨床廠實(shí)際生產(chǎn)龍門導(dǎo)軌磨床和高精密平面磨床之中，且使用效果很好，本文將重點(diǎn)介紹。下面對(duì)這四種磨床主軸常用動(dòng)壓軸承的結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)做分析介紹。

3.1 單油楔整體軸承

單油楔整體軸承如圖1所示，常運(yùn)用于平面磨床（如MY7130、MY7132A、YM-7180等系列型號(hào)）的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，工作時(shí)在徑向力的作用下，主軸對(duì)于軸承孔產(chǎn)生一定偏移量而實(shí)現(xiàn)油楔和承載油膜。但其軸心軌跡不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)精度低，承載能力差，高速時(shí)有油膜震蕩現(xiàn)象，只適合低轉(zhuǎn)速應(yīng)用場(chǎng)合。

圖1 單油楔整體軸承

3.2 多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承（短三瓦軸承）

多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承如圖2所示，常運(yùn)用于普通外圓磨床、萬能磨床、無心磨床的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)，其特點(diǎn)是軸瓦由三個(gè)球頭螺釘支承在24°30'位置上，包括0.75～0.8的長徑比，以上數(shù)值是通過雷諾方程嚴(yán)密計(jì)算而來。其優(yōu)點(diǎn)是可以在軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)自動(dòng)調(diào)位，還可以在軸向平面自動(dòng)調(diào)位，從而消除加工誤差和零件變形帶來的影響，其間隙可調(diào)到0.01～0.02mm，具有較高旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性好、承載能力強(qiáng)。缺點(diǎn)是球頭螺釘接觸剛性差、間隙調(diào)整會(huì)對(duì)旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性及承載能力造成影響。軸承使用ZQPb30銅鉛合金離心澆注，機(jī)體材料為低碳鋼15或20鋼，不易進(jìn)行熱處理來提高與球頭接觸剛性，耐磨性和精度穩(wěn)定性差。

圖2 短三瓦軸承

3.3 整體彈性變形軸承

整體彈性變形軸承如圖3所示，常運(yùn)用于高精密萬能外圓磨床（如上海機(jī)床廠MG1420系列）和龍門導(dǎo)軌磨床（如云南磨床廠MK2212，MK3012系列）的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)。整體彈性變形軸承為園弧曲線油槽，經(jīng)設(shè)計(jì)及調(diào)整后造就了五油隙收斂型油楔結(jié)構(gòu)。徑向間隙是通過調(diào)節(jié)螺母使軸瓦軸向位移，通過軸承外徑1：12背錐配合，產(chǎn)生微量變形實(shí)現(xiàn)，形成復(fù)合型油楔，間隙可調(diào)到0.008mm，具有較高旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性、承載力高。其缺點(diǎn)一是有背錐配合要求，生產(chǎn)工藝難度大，加工精度要求較高，制造生產(chǎn)困難。二是長徑比小，因而能力不大。

圖3 整體彈性變形軸承

3.4 多瓦式調(diào)位軸承

最新研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承如圖4所示，該軸承已實(shí)際用于云南磨床廠生產(chǎn)MK2212、MK3012的龍門導(dǎo)軌磨床和MG7160高精密平面磨床，且使用效果很好。多瓦式調(diào)位軸承綜合了前三種動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，主要解決了以下三方面的問題：一是單油楔整體軸承的軸心軌跡不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)精度低，高速時(shí)油膜震蕩問題。二是多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承的球頭螺釘接觸剛性差，從而對(duì)主軸系統(tǒng)剛性和回轉(zhuǎn)精度造成影響的問題。三是整體彈性變形軸承的加工及裝配精度要求較高，制造較為復(fù)雜，長徑比小，因而能力不大的問題。多瓦式調(diào)位軸承具備特點(diǎn)如下。

圖4 多瓦式調(diào)位軸承

（1）采用圖4所示球頭螺釘支承的結(jié)構(gòu)，軸承不僅可以實(shí)現(xiàn)軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)調(diào)位，還可以軸向平面自動(dòng)調(diào)位，支承及軸承套淬火硬度可達(dá)HRC50，提高了主軸接觸剛性，耐磨性和精度穩(wěn)定性。

（2）采用碟型彈簧理論計(jì)算予緊，有效提高油膜剛性，解決了以往動(dòng)壓軸承剛性不易檢測(cè)、評(píng)估的問題?，F(xiàn)在通過調(diào)整計(jì)算好碟型彈簧予緊，基本可以確定軸承剛性，其予緊力是切削力的20～30倍。

（3）軸承采用ZQPb30銅鉛合金材料，該材料具有塑性、順應(yīng)性、嵌藏性、跑合性、減摩性、耐磨性、耐腐蝕性、潤滑性能和熱學(xué)性質(zhì)（傳熱性及熱膨脹性），可有效保護(hù)造價(jià)高的主軸。

實(shí)踐證明，多瓦式調(diào)位軸承的結(jié)構(gòu)集中了多種動(dòng)壓軸承的優(yōu)點(diǎn)，油膜剛性強(qiáng)、承載能力大，徑向間隙可達(dá)0.005mm，加工粗糙度Ra0.025μm，磨床精度等級(jí)達(dá)到了IT2級(jí)，性能可靠，磨削效率高，溫升在15°左右，不需加裝靜壓軸承所需的溫控裝置，成本大約是同類靜壓軸承價(jià)格的1/5左右，現(xiàn)已成功運(yùn)用于磨床的實(shí)際生產(chǎn)中。

4 在磨床主軸系統(tǒng)中運(yùn)用動(dòng)壓軸承的性能對(duì)比

由于動(dòng)壓軸承具有剛性好、精度保持性好、載荷能力強(qiáng)、功率損失小、經(jīng)濟(jì)性好等特點(diǎn)，所以大多數(shù)磨床廠家在生產(chǎn)磨床時(shí)都比較青睞使用動(dòng)壓軸承。本文中介紹的4種動(dòng)壓軸承在實(shí)際的磨床主軸生產(chǎn)中也得到實(shí)際運(yùn)用，不同動(dòng)壓軸承在磨床主軸系統(tǒng)中運(yùn)用的性能對(duì)比如表2所示。將表2數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比、分析得出，在磨床主軸系統(tǒng)中運(yùn)用最新自主研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承可明顯提升主軸的性能、降低生產(chǎn)成本。

表2 主軸性能比較

5 結(jié)語

綜上所述，動(dòng)壓軸承研發(fā)與運(yùn)用是提高磨床主軸整體性能的關(guān)鍵所在，當(dāng)今國內(nèi)外的很多磨床生產(chǎn)企業(yè)都很注重動(dòng)壓軸承的研發(fā)與運(yùn)用，并將其廣泛應(yīng)用于磨床主軸的實(shí)際生產(chǎn)中。動(dòng)壓軸承在磨床主軸中的運(yùn)用大大提高了磨床的磨削精度，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，性價(jià)比高，更進(jìn)一步滿足了磨床大型、精密、復(fù)合、高效的總體發(fā)展要求。