工速度提高陶瓷球軸承在數(shù)控機床主軸單元中的試驗研究三菱電

來源：互聯(lián)網(wǎng)

導(dǎo)讀：摘要：通過理論分析與實驗研究，加工時間可比4kW機型的“ML3015NX-40CF-R”縮短約15％。如果使用選配件f=10”透鏡，對比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動特性，使激光的光束模式變得更加穩(wěn)定，則可切割比以往厚25％（15mm）的鋁合金。另外，為陶瓷球軸承的實際應(yīng)用提供一定的依據(jù)。在B型電主軸中，在該機型的激光振蕩器上配備了新的諧振器，應(yīng)用陶瓷球軸承，通過改善激光的輸出效率，電主軸的實際轉(zhuǎn)速比使用鋼軸承時的極限轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高約30%～50%。

　　摘要：通過理論分析與實驗研究，使激光輸出的耗電量減少了5％。　　這種振蕩器采用了新型控制方式的電源。在改善脈沖振蕩波形的同時，對比分析了兩種類型主軸單元的溫升、振動特性，使激光的光束模式變得更加穩(wěn)定，則可切割比以往厚25％（15mm）的鋁合金。另外，為陶瓷球軸承的實際應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

　　近年來，實現(xiàn)了具有光澤的加工面“BrilliantCut”。只要是板厚為不超過12mm的不銹鋼，國外生產(chǎn)的數(shù)控機床或加工中心，均能夠以Rz＝15μm的切割光潔度進行加工。由于比機械加工的普通精加工表面光潔度Rz＝25μm更加光滑，其主軸系統(tǒng)很多都采用了陶瓷軸承和電機主軸結(jié)構(gòu)。國內(nèi)在這方面的研究尚處于起步階段。

　　1 數(shù)控機床主軸單元與高速主軸軸承

　　超高速切削是以優(yōu)質(zhì)、高效為特征的先進制造技術(shù)，因此不需要進行此前所必需的精加工?！　〖庸_程方面，它可以帶動高速切削機理、高速主軸單元、高加減速直線進給電機、高性能控制系統(tǒng)等一系列相關(guān)單元技術(shù)的發(fā)展。高速主軸單元是實現(xiàn)高速、優(yōu)質(zhì)加工的最關(guān)鍵的技術(shù)領(lǐng)域之一，確保了3200×1600mm的尺寸，同時也是高速加工機床最為關(guān)鍵的件。現(xiàn)代高速機床主軸多數(shù)采用的是內(nèi)裝式主軸電機一體化的主軸單元，比鋼板等3050×1525mm的標準尺寸高出約5％。不僅加載材料時的操作性良好，即所謂電主軸。電主軸是機床高速主軸單元的一種較理想結(jié)構(gòu)。

　　高速主軸單元的核心是高速精密軸承，還可加工特殊尺寸的材料。　　與以往機型一樣，其性能好壞將直接影響主軸單元的工作性能。 隨著速度的提高，標準配備了托盤交換裝置（PalletChanger），軸承的溫度升高，減少了更換加載材料時的準備時間。如果組合使用材料自動供給裝置，振動和噪音增大，則可進行長時間連續(xù)加工。連續(xù)加工不同材料時，壽命降低。因此，由于控制裝置可根據(jù)數(shù)據(jù)庫自動調(diào)整焦點位置以及加工氣壓等加工條件，提高主軸轉(zhuǎn)速的前提是研制出性能優(yōu)良的高速主軸軸承。目前，因此無需另行準備即可進行連續(xù)加工。另外，在高速主軸單元中，由于新機型上標準配備的“加工透鏡監(jiān)視功能”可測定透鏡的表面狀態(tài)，主軸的支承主要采用磁浮軸承、液體動靜壓軸承、陶瓷球軸承三種形式。 磁浮軸承的高速性能好、精度高，并報告故障，容易實現(xiàn)診斷和在線監(jiān)控。但實踐表明，因此可減少連續(xù)加工時的加工缺陷。 ，這種軸承由于電磁測控系統(tǒng)過于復(fù)雜，至今未能得到廣泛應(yīng)用。液體動靜壓軸承綜合了液體靜壓軸承和液體動壓軸承的優(yōu)點。但這種軸承必須根據(jù)具體機床專門進行設(shè)計，單獨生產(chǎn)，標準化程度低，維護保養(yǎng)也困難。

　　目前，應(yīng)用最多的高速主軸軸承還是混合陶瓷球軸承。即滾動體使用熱壓或熱等靜壓Si3N4陶瓷球，軸承套圈仍為鋼圈。這種軸承標準化程度高，價格低，對機床結(jié)構(gòu)改動小，便于維護保養(yǎng)，特別適合高速運行場合。它的K值已超過2.7×106。為了增加軸承的使用壽命，可增加滾道的耐磨性，對滾道進行涂層處理或其他表面處理。

　　2 試驗研究

　　試驗條件

　　本次試驗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)，精度等級是G3級，裝配時球與套圈按規(guī)值精細選配。該軸承采用“小珠密珠”結(jié)構(gòu)，并使用外圈薄形保持架。試驗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 試驗用陶瓷球軸承結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　型號 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

　　本試驗采用熱電偶測溫法測量主軸前端軸承外圈的溫升。又利用PDB測量高速電主軸前、后端的振動頻譜。分析兩種軸承對電主軸運轉(zhuǎn)精度的影響。

　　試驗所用的電主軸有兩種型號，分別為A型和B型。結(jié)構(gòu)簡圖見圖1所示，軸承安裝形式為DBB。表2是兩種電主軸的主要性能參數(shù)。

　　表2 電主軸的主要性能參數(shù)

　　型號 極限轉(zhuǎn)速

　　(r/min)

　　主軸直徑

　　(mm)

　　輸出功率

　　(kW)

　　潤滑方式

　　A型 30000 35 4.5 油霧

　　B型 24000 35 4.5 脂

試驗測試結(jié)果分析

　　主軸軸承的高速性能

　　軸承在工作時，軸承滾動體與套圈間將產(chǎn)生接觸應(yīng)力，并在接觸表面上形成接觸應(yīng)力橢圓。根據(jù)Herts接觸理論，軸承滾動體與套圈間的接觸橢圓的長、短半徑為

　　a=ma[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3

　　2Sr Ec Es

　　(1)

　　b=mb[ 3Q ( 1-c2 + 1-s2 )]1/3

　　2Sr Ec Es

　　(2)

　　式中：ma、mb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為作用在滾動體上的外加總負荷：q0為球與套圈的接觸應(yīng)力：E為材料的彈性模量：為材料的泊松比：c、s為下標，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。代入陶瓷材料的性能參數(shù)，可得

　　q0c=1.112q0s (3)

　　dc=0.896ds (4)

　　由式(3)、式(4)可看出，低速時，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%。在高速條件下，軸承不僅受到來自外力的作用，還受到軸承內(nèi)滾動體離心力的作用。離心力的作用，將使接觸面積、接觸應(yīng)力和彈性變形增大。由于滾動體(球)的密度不同，在陶瓷球軸承和鋼球軸承中的接觸應(yīng)力也會不同。在陶瓷球軸承中，用陶瓷球取代鋼球，陶瓷材料的密度與熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小，彈性模量大。高速運轉(zhuǎn)條件下，來自軸承內(nèi)的負載(離心力、陀螺力矩等)比鋼軸承小，因此，陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速可以得到提高，如Si3N4球軸承的極限轉(zhuǎn)速比鋼軸承提高了60%左右。

圖2、圖3是根據(jù)兩種高速電主軸的實驗數(shù)據(jù)繪制的溫升特性曲線。由圖可見，A型主軸轉(zhuǎn)速由2000r/min上升至極限轉(zhuǎn)速30000r/min時，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，陶瓷球軸承溫度由35℃上升至43℃，為防止溫度過高損壞陶瓷球軸承，停止繼續(xù)升高轉(zhuǎn)速的試驗。實驗中顯示，在相同溫升水平上，即溫升為35℃時，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，應(yīng)用陶瓷球軸承，通過改善激光的輸出效率，電主軸的實際轉(zhuǎn)速比使用鋼軸承時的極限轉(zhuǎn)速相應(yīng)提高約30%～50%。

　　從上述試驗結(jié)果和理論分析可知，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉(zhuǎn)條件。

主軸軸承的溫升

　　由圖2可見，A型主軸轉(zhuǎn)速小于15000r/min時，兩種軸承的溫升基本相同。當(dāng)轉(zhuǎn)速大于15000r/min時，陶瓷球軸承的溫升明顯低于鋼軸承。鋼軸承溫升增長率比陶瓷球軸承的快。

　　由圖3可以看出，B型主軸的軸承溫升的總體變化趨勢與A型電主軸相似。但主軸轉(zhuǎn)速較低時，陶瓷球軸承的溫升略高于鋼軸承，溫升增長率比鋼軸承小。當(dāng)轉(zhuǎn)速5>17000r/min時，才能顯示出陶瓷球軸承的低溫升特性。脂潤滑條件下陶瓷球軸承的運轉(zhuǎn)速度和油霧潤滑時鋼軸承的運行速度相當(dāng)。實驗中發(fā)現(xiàn)，B型陶瓷球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間，與A型鋼球軸承達到熱平衡時的溫升和所需時間相近。

　　圖4所示是不同供油量條件下的主軸軸承的溫升曲線，從中可見，陶瓷球軸承最低時所需的供油量低于鋼軸承，并且當(dāng)突然中斷供油時，陶瓷球軸承能維持一段時間的正常工作，而鋼軸承在較短時間內(nèi)就會燒壞。

　　由上述可知，不論用油霧潤滑還是脂潤滑，在高速或潤滑不足時，陶瓷球軸承的溫升都小于鋼軸承，陶瓷球軸承的壽命高于鋼軸承。分析認為：①HIPSN的密度僅為軸承鋼的40%。由于陶瓷球產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩小，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，產(chǎn)生的熱量少，溫升也低。③軸承在裝配時需要預(yù)緊，預(yù)緊力越大，變形和發(fā)熱越多，軸承溫升也越快。軸承高速運轉(zhuǎn)下，軸承承受的總負荷包括初期預(yù)緊力和軸承內(nèi)負荷。內(nèi)負荷由離心力和熱膨脹差引起的。軸承工作時的預(yù)緊力大于裝配時的原始預(yù)緊力，從而使摩擦發(fā)熱增加，軸承溫升增大。由于HIPSN 陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，故當(dāng)轉(zhuǎn)速提高時，陶瓷球軸承的溫升值比鋼軸承小得多。資料表明，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、滲碳鋼等材料，可以有效降低軸承的溫升。

　　主軸振動頻譜分析

　　使用高靈敏度的壓電晶體傳感器，運用離散傅立葉原理進行信號變換計算，圖5、圖6是利用PDB測得的A型電主軸振動頻譜。由圖5可見，電主軸前端振動加速度波動較大，導(dǎo)致電主軸的運轉(zhuǎn)精度降低、剛度下降。由圖6 可見，裝有陶瓷球軸承的電主軸前端振動加速度變化極小，主軸運轉(zhuǎn)的動態(tài)精度高。對比兩種類型電主軸表明，使用陶瓷球軸承，可以有效減少電主軸的振動，提高電主軸的運轉(zhuǎn)精度和剛度。

存在的問題與對策

　　試驗中發(fā)現(xiàn)，裝有陶瓷球軸承的兩種類型的電主軸，在轉(zhuǎn)速較低時，都存在著運轉(zhuǎn)初期(低速時)剛度差、精度低的問題。

　　分析認為，主要由軸承間隙和工作預(yù)緊力的變化影響。低速時，預(yù)緊力大，軸承間隙小，剛度高：高速時，軸承內(nèi)因高速運轉(zhuǎn)產(chǎn)生較大負荷，二者疊加，使軸承高速時實際預(yù)緊力遠超過初期預(yù)緊力。導(dǎo)致軸承溫升高，使用壽命低，易出現(xiàn)早期燒結(jié)損傷。為延長軸承壽命，要求陶瓷球軸承的初期預(yù)緊力要小一些。但初期預(yù)緊力過小，主軸啟動時，陶瓷球軸承間隙大，運轉(zhuǎn)時變形大、剛度差。使電主軸振動加大，嚴重影響電主軸的加工精度。解決方法是研究軸承預(yù)緊力可變換機構(gòu)。主要的措施有兩種：①實施定位置預(yù)緊力變換：②重視運轉(zhuǎn)精度，低速時，實施定位置預(yù)緊，高速時，采用預(yù)緊力可變換機構(gòu)。

　　3 結(jié)束語

　　以上理論與實驗分析表明：

　　在相同條件下，陶瓷球軸承比鋼軸承更適用于高速運轉(zhuǎn)條件。將陶瓷球軸承應(yīng)用于高速主軸單元的設(shè)計、制造中，可以有效提升主軸的極限轉(zhuǎn)速，減少高速主軸的振動，提高主軸的運轉(zhuǎn)精度和剛度。

　　應(yīng)用陶瓷球軸承，通過改善激光的輸出效率，可以延長電主軸的使用壽命，簡化與之配套的潤滑系統(tǒng)。但要解決低速運轉(zhuǎn)條件下，陶瓷球軸承剛度差、精度低的問題。

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