1 數(shù)控機(jī)床主軸單元與高速主軸軸承

2 試驗(yàn)研究

1. 試驗(yàn)條件
   本次試驗(yàn)所用陶瓷球軸承參數(shù)如表1所示。所用陶瓷球的材料為HIPSN(熱等靜壓Si₃N₄)辉懒，精度等級(jí)是G3級(jí)阳惹，裝配時(shí)球與套圈按規(guī)值精細(xì)選配。該軸承采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)眶俩，并使用外圈薄形保持架毯舞。試驗(yàn)中所用鋼軸承與陶瓷球軸承具有相同的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

   表1 試驗(yàn)用陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

   型號(hào)	外觀尺寸(mm)	球徑(mm)	球數(shù)	原始接觸角	陶瓷球材料	保持架材料	套圈材料
   B7007CY	35×62×14	7.144	16	15	HIPSN	樹脂	GCr15

   本試驗(yàn)采用熱電偶測(cè)溫法測(cè)量主軸前端軸承外圈的溫升番艳。又利用PDB測(cè)量高速電主軸前、后端的振動(dòng)頻譜妹茬。分析兩種軸承對(duì)電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度的影響尚和。
   試驗(yàn)所用的電主軸有兩種型號(hào)，分別為A型和B型泳唇。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1所示十吐，軸承安裝形式為DBB。表2是兩種電主軸的主要性能參數(shù)夜勋。

   表2 電主軸的主要性能參數(shù)

   型號(hào)	極限轉(zhuǎn)速 (r/min)	主軸直徑 (mm)	輸出功率 (kW)	潤(rùn)滑方式
   A型	30000	35	4.5	油霧
   B型	24000	35	4.5	脂

   
   

   圖1 高速主軸單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2. 試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果分析
   1. 主軸軸承的高速性能
      軸承在工作時(shí)曼舟，軸承滾動(dòng)體與套圈間將產(chǎn)生接觸應(yīng)力，并在接觸表面上形成接觸應(yīng)力橢圓聚伤。根據(jù)Herts接觸理論嗤积，軸承滾動(dòng)體與套圈間的接觸橢圓的長(zhǎng)、短半徑為

      a=ma[ 3Q ( 1-μc2 + 1-μs2 )]1/3 2Sr Ec Es	(1)
      b=mb[ 3Q ( 1-μc2 + 1-μs2 )]1/3 2Sr Ec Es	(2)

      式中：m_a坠天、m_b為與橢圓偏心率有關(guān)的系數(shù)：d為球與套圈的彈性趨近量：Q為作用在滾動(dòng)體上的外加總負(fù)荷：q₀為球與套圈的接觸應(yīng)力：E為材料的彈性模量：μ為材料的泊松比：c夯秃、s為下標(biāo)，分別指陶瓷軸承和鋼球軸承的相關(guān)參數(shù)：Sr為主曲率和痢艺。代入陶瓷材料的性能參數(shù)仓洼，可得

      q0c=1.112q0s	(3)
      dc=0.896ds	(4)

      由式(3)、式(4)可看出堤舒，低速時(shí)色建，陶瓷球軸承中陶瓷球與鋼套圈的接觸應(yīng)力為鋼軸承的1.112倍，變形為鋼軸承的89.6%舌缤。在高速條件下箕戳，軸承不僅受到來(lái)自外力的作用，還受到軸承內(nèi)部滾動(dòng)體離心力的作用国撵。離心力的作用漂羊，將使接觸面積、接觸應(yīng)力和彈性變形增大。由于滾動(dòng)體(球)的密度不同走越，在陶瓷球軸承和鋼球軸承中的接觸應(yīng)力也會(huì)不同椭豫。在陶瓷球軸承中，用陶瓷球取代鋼球旨指，陶瓷材料的密度與熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小宛殉，彈性模量大。高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下抽雇，來(lái)自軸承內(nèi)部的負(fù)載(離心力希镶、陀螺力矩等)比鋼軸承小，因此剖冒，陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速可以得到提高欲返，如Si₃N₄球軸承的極限轉(zhuǎn)速比鋼軸承提高了60%左右。
      圖2卓邓、圖3是根據(jù)兩種高速電主軸的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制的溫升特性曲線欧纬。由圖可見(jiàn)，A型主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至極限轉(zhuǎn)速30000r/min時(shí)铁蒋，鋼軸承溫度由4℃上升至35℃：主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至轉(zhuǎn)速40000r/min時(shí)祭啸，陶瓷球軸承溫度由35℃上升至43℃，為防止溫度過(guò)高損壞陶瓷球軸承魏刘，停止繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速的試驗(yàn)俐逛。實(shí)驗(yàn)中顯示，在相同溫升水平上绊含，即溫升為35℃時(shí)桑嘶，裝有陶瓷球軸承的電主軸轉(zhuǎn)速比鋼軸承型主軸提高約30%。
      在B型電主軸中躬充，應(yīng)用陶瓷球軸承不翩，電主軸的實(shí)際轉(zhuǎn)速比使用鋼軸承時(shí)的極限轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高約30%～50%。
      從上述試驗(yàn)結(jié)果和理論分析可知麻裳，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件口蝠。

1. 1. 主軸軸承的溫升
      由圖2可見(jiàn)，A型主軸轉(zhuǎn)速小于15000r/min時(shí)津坑，兩種軸承的溫升基本相同妙蔗。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于15000r/min時(shí)，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承疆瑰。鋼軸承溫升增長(zhǎng)率比陶瓷球軸承的快眉反。
      由圖3可以看出，B型主軸的軸承溫升的總體變化趨勢(shì)與A型電主軸相似穆役。但主軸轉(zhuǎn)速較低時(shí)寸五，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承梳凛，溫升增長(zhǎng)率比鋼軸承小。當(dāng)轉(zhuǎn)速5>17000r/min時(shí)涉爆，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性旷吱。脂潤(rùn)滑條件下陶瓷球軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度和油霧潤(rùn)滑時(shí)鋼軸承的運(yùn)行速度相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)层阎，B型陶瓷球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間舰范，與A型鋼球軸承達(dá)到熱平衡時(shí)的溫升和所需時(shí)間相近。
      圖4所示是不同供油量條件下的主軸軸承的溫升曲線轰弥，從中可見(jiàn)冤兄，陶瓷球軸承最低時(shí)所需的供油量低于鋼軸承，并且當(dāng)突然中斷供油時(shí)杀铆，陶瓷球軸承能維持一段時(shí)間的正常工作沮汇，而鋼軸承在較短時(shí)間內(nèi)就會(huì)燒壞。
      由上述可知抚袁，不論用油霧潤(rùn)滑還是脂潤(rùn)滑嬉咐，在高速或潤(rùn)滑不足時(shí)，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承揣褂，陶瓷球軸承的壽命高于鋼軸承。分析認(rèn)為：①HIPSN的密度僅為軸承鋼的40%攒庵。由于陶瓷球產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩小嘴纺，使陶瓷球軸承發(fā)熱量少。②陶瓷和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)比鋼和鋼組成的摩擦副的摩擦系數(shù)小浓冒，產(chǎn)生的熱量少栽渴，溫升也低。③軸承在裝配時(shí)需要預(yù)緊稳懒，預(yù)緊力越大闲擦，變形和發(fā)熱越多，軸承溫升也越快场梆。軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)下墅冷，軸承承受的總負(fù)荷包括初期預(yù)緊力和軸承內(nèi)部負(fù)荷。內(nèi)部負(fù)荷由離心力和熱膨脹差引起的或油。軸承工作時(shí)的預(yù)緊力大于裝配時(shí)的原始預(yù)緊力寞忿，從而使摩擦發(fā)熱增加，軸承溫升增大顶岸。由于HIPSN 陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%腔彰，故當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時(shí)，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多拿酱。資料表明侄俐，陶瓷球軸承的內(nèi)圈材料采用熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%的不銹鋼那赘、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升呆埃。
   2. 主軸振動(dòng)頻譜分析
      使用高靈敏度的壓電晶體傳感器朦我，運(yùn)用離散傅立葉原理進(jìn)行信號(hào)變換計(jì)算，圖5林皇、圖6是利用PDB測(cè)得的A型電主軸振動(dòng)頻譜涯翠。由圖5可見(jiàn)，電主軸前端振動(dòng)加速度波動(dòng)較大妓付，導(dǎo)致電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度降低憔吉、剛度下降。由圖6 可見(jiàn)滚胎，裝有陶瓷球軸承的電主軸前端振動(dòng)加速度變化極小肿讽，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)精度高。對(duì)比兩種類型電主軸表明田搏，使用陶瓷球軸承找田，可以有效減少電主軸的振動(dòng)，提高電主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)精度和剛度着憨。
      

      圖5 裝有鋼軸承電主軸前端振動(dòng)頻譜

      圖6 裝有陶瓷球軸承電主軸前端振動(dòng)頻譜

2. 存在的問(wèn)題與對(duì)策
   試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)墩衙，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉(zhuǎn)速較低時(shí)甲抖，都存在著運(yùn)轉(zhuǎn)初期(低速時(shí))剛度差漆改、精度低的問(wèn)題。
   分析認(rèn)為准谚，主要由軸承間隙和工作預(yù)緊力的變化影響挫剑。低速時(shí)，預(yù)緊力大柱衔，軸承間隙小樊破，剛度高：高速時(shí)，軸承內(nèi)部因高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負(fù)荷唆铐，二者疊加哲戚，使軸承高速時(shí)實(shí)際預(yù)緊力遠(yuǎn)超過(guò)初期預(yù)緊力。導(dǎo)致軸承溫升高艾岂，使用壽命低惫恼，易出現(xiàn)早期燒結(jié)損傷。為延長(zhǎng)軸承壽命嚎衡，要求陶瓷球軸承的初期預(yù)緊力要小一些垃燃。但初期預(yù)緊力過(guò)小，主軸啟動(dòng)時(shí)漓荞，陶瓷球軸承間隙大介然，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)變形大掷锻、剛度差。使電主軸振動(dòng)加大盗晨，嚴(yán)重影響電主軸的加工精度蔑来。解決方法是研究開發(fā)軸承預(yù)緊力可變換機(jī)構(gòu)。主要的措施有兩種：①實(shí)施定位置預(yù)緊力變換：②重視運(yùn)轉(zhuǎn)精度献鬼，低速時(shí)澈虱，實(shí)施定位置預(yù)緊，高速時(shí)许夺，采用預(yù)緊力可變換機(jī)構(gòu)表牲。

3 結(jié)束語(yǔ)