基于Romax的鏜銑復合加工中心主軸軸承配置方案優化設計研究

張曉毅，張秀華，留 劍，牟海闊，洪 軍

ZHANG Xiao-yi1, ZHANG Xiu-hua2, LIU Jian2, MOU Hai-kuo2, HONG Jun2

（1.沈機集團 昆明機床股份有限公司，昆明 650203；2.西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

0 引言

主軸系統是精密加工中心的核心部件，其剛度是決定機床加工精度的關鍵因素，而主軸軸承的配置形式又與主軸剛度直接相關。THM65160是昆明機床廠自主研發大型精密鏜銑復合加工中心，其主軸為細長桿件，加工過程中易發生變形，如何減小軸端在工作載荷下的位移，成為提高主軸設計性能的關鍵。運用Romax軟件構建了THM65160主軸系統的仿真模型，分析不同軸承配置形式下主軸軸端因工作載荷產生的位移，并通過對比給出了改進的軸承配置方案。

1 Romax軟件簡介

Romax是目前世界上最完整的軸承、齒輪箱和機械傳動系統仿真及產品設計與分析軟件，既可以對齒輪箱和軸承單獨進行產品設計，也可以對機械系統方案進行評估和校驗，已成為齒輪傳動領域的行業標準，廣泛應用于汽車、船舶、風力發電、工程機械、軸承設計以及航空航天等領域的齒輪傳動系統設計。

主軸軸承配置優化設計用到Romax軟件中的平行軸傳動系設計模塊。該模塊可以提供復雜的傳動系統建模（包括直齒和螺旋齒輪對、滾子軸承、滑動和止推軸承、帶和鏈、復雜軸段及離合器等）；可進行基于ANSI/ASME和SAE/GM標準的應力集中系數計算和軸承疲勞壽命計算；可求解滾子軸承載荷、應力分布、考慮間隙和平行度誤差的軸承額定壽命計算等。

2 基于Romax的鏜銑復合加工中心主軸系統仿真分析

2.1 仿真模型的建立

THM65160的主軸系統如圖1所示，其中傳動軸I、傳動軸II、傳動軸III及軸上齒輪構成主傳動系統。

圖1 THM65160主軸系統示意圖

按照主軸、銑軸、傳動軸I、傳動軸II、傳動軸III、齒輪等單元對模型進行簡化，簡化內容主要包括以下四點：

1）刪除軸上尺寸＜1mm的圓角和倒角；

2）刪除螺釘孔、螺栓孔注油空等小特征；

3）刪除軸上的鍵槽特征；

4）將主軸與銑軸作為一個整體建模。

軸和齒輪的幾何尺寸如軸頸直徑、長度，齒輪的模數、齒數和節圓直徑等由主軸系統的實際設計參數確定，在Romax中構建的TH65160主軸系統仿真模型如圖2所示。

圖2 主軸系統仿真模型

2.2 分析參數設定

按照主軸的實際工作情況，設定電機轉速為1500rpm，電機輸入功率為32kw，軸承潤滑脂選擇LGLT-2；主軸軸承采用定位預緊，各軸承的設計預緊量見表1（將圖2中主軸軸承從左到右依次編號為Main1#、Main2#、…、Main7#）。在Romax中，可以通過設定主軸端部的點載荷（包括X、Y、Z方向的力以及繞X、繞Y的力矩）來模擬實際切削情況。

表1 主軸軸承的設計預緊量（單位：μm）

2.3 原始軸承配置方案分析

根據所建的Romax主軸系統模型，在軸向切削力Fa=20000N，徑向切削力為Fr=4817N的工作載荷下，對主軸的剛度、強度和主軸軸承壽命進行分析。

通過Romax的靜力學分析，可以得到軸系的變形和應力分布。在加工的敏感方向即徑向方向，主軸的位移如圖3所示，主軸彎曲應力分布如圖4所示。

圖3 主軸徑向位移

圖4 主軸彎曲應力分布

由圖3可知，由于承受切削載荷，主軸端部位移較大；同時，在1400mm到2000mm范圍內，由于存在齒輪傳動且支承較弱，主軸的徑向位移也相對較大。

由圖4可知，整個主軸內部應力均在1Mpa以下，因此主軸的疲勞壽命較長。

Romax提供了四種軸承壽命計算標準，分別是ISO 281、Adjusted、Advanced和DIN ISO 281Supplement 4，表2列出的是ISO281標準下的各主軸軸承的壽命，該標準考慮了軸承的載荷、預緊和油膜厚度因素，應用更為廣泛。

表2 主軸軸承的壽命

3 主軸軸承配置方案優化設計

THM65160主軸為三支承形式，包括前支承、后支承和最后的輔助支承。針對主要支承軸承，在盡可能不改變主軸結構和降低主軸壽命（將主軸軸承的最短壽命定義為主軸壽命）的前提條件下，以提高主軸的剛度、減小軸端在工作載荷下的變形為目標，從軸承的位置和組合方向、軸承的類型和軸承預緊量三個方面對軸承軸承的配置形式進行研究。

3.1 軸承的位置和組合方向對主軸剛度和壽命的影響

在主軸的原始設計中，前支承為角接觸球軸承TBT形式，后支承為角接觸球軸承DB形式，并且均利用隔套增大支承跨距（稱為配置方案一），針對這一結構特定，根據常用角接觸球軸承的配置形式，通過改變軸承的位置和組合方向，提出了以下幾種配置方案，如表3所示，各軸承的預緊量均為原始設計值。

表3 改變軸承位置及組合方向的配置方案

通過仿真分析得到了主軸的剛度和壽命參數。其中，主軸軸端的徑向位移如圖5所示，主軸壽命見表4。

圖5 改變軸承位置和組合方向后軸端的徑向位移

表4 改變軸承位置和組合方向后主軸的壽命

綜合以上五種軸承配置方案可以看出，配置五具有最高的剛度，且主軸壽命也最長。

1）比較配置一、配置二和配置三可知，對于外載荷直接作用處的軸承，若有兩列軸承，則兩列軸承并列且靠近軸端安裝的效果比通過增大軸承間作用力距離更能提高主軸的剛度；

2）比較配置三和配置四可知，背對背的軸承配置形式比面對面的軸承配置形式剛度高，更適應該主軸對剛度的要求；

3）配置五為配置二的改進型，鑒于齒輪作用處軸的彎曲較大，而DF配置形式更適用于軸彎曲大的情況，因此采用DF代替DB，仿真結果表明雖然這種改進對于提高主軸剛度影響不大，但可以顯著提高主軸壽命，配置五的壽命為配置二的2倍。

3.2 軸承類型對主軸剛度和壽命的影響

在不改變軸承位置的情況下，將前支承的其中一個軸承用圓柱滾子軸承來替換，后支承不變，得到表5所示的配置形式。

表5 改變軸承類型的配置方案

通過仿真分析得到了主軸的剛度和壽命參數。其中，主軸軸端的徑向位移如圖6所示，主軸壽命見表6。

圖6 改變軸承類型后軸端徑向位移

表6 改變軸承類型后主軸壽命

根據仿真結果，給出如下配置建議：

1）單就將某個球軸承替換成滾子軸承的配置方法而言，圓柱滾子軸承越往后靠，其軸端的剛度越高，且主軸壽命也會相應提高，如配置三。其原因在于，雖然滾子軸承的徑向剛度較大，但是承受彎矩和軸向力的能力弱，將其置于過于靠前的位置會導致其內部滾子受力嚴重不均衡，承載能力會有較大削弱。

2）對于配置三而言，主軸剛度略小于配置一，但是壽命高于配置一。因此，可以推斷，不改變原配置，并且增加一個滾子軸承的方法將能提高主軸剛度，均衡主軸軸承的壽命。

3.3 預緊量對主軸剛度和壽命的影響

綜合以上分析可知，配置方案五的主軸剛度較大，在該優化方案的基礎上研究預緊量大小對主軸剛度和壽命的影響，為主軸軸承選擇合適的預緊量提供理論依據。

通過對配置方案五的進一步分析可知，軸承Main3#和軸承Main4#的壽命較長，主要是由于軸承承受的軸向力與軸承預緊方向相反，隨著軸向力的增加，軸承預緊量逐漸減小，當承受的軸向力大于預緊力時，軸承即卸荷。因此，在重載荷情況下，可以適當加大軸承Main3#和軸承Main4#的預緊量。

參考軸承廠商提供的產品數據，提出三種預緊方案，分別為輕預緊、中預緊和重預緊，各軸承的預緊量見表7。

表7 軸承預緊量（單位：μm）

通過仿真分析得到了主軸的剛度和壽命參數。其中，主軸軸端的徑向位移如圖7所示，主軸壽命見表8。

圖7 不同預緊方案下軸端的徑向位移

表8 不同預緊方案下主軸的壽命

從仿真結果中可以看出，采用第三種預緊方案時，最短軸承壽命約為4.5年，其他軸承壽命均與其較為接近，并且可以通過調整預緊量提高主軸的剛度。當以5～8年為機床的大修年限時，通過增加非主要承載軸承（Main 3#、Main 5#）的預緊量來提高主軸剛度是經濟合理的。

4 結束語

通過以上的分析，我們得到以下結論：

1）用Romax軟件建立主軸系統仿真模型，分析主軸軸承配置形式對主軸剛度的影響，確定主軸軸承最佳配置方案或者為主軸軸承配置方案的改進提供理論指導是切實可行的；

2）通過對THM65160主軸系統的仿真分析，確定主軸軸承在配置方案五和重預緊情況下，主軸軸端徑向位移顯著減小，剛度得到提高，而且該方案對主軸軸承的壽命影響較小，能夠滿足使用要求。

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