精密軸承在高速精密主軸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

柯美志?王哲

摘 要：隨著高速精密加工技術(shù)的迅速普及與推廣，高速度精密主軸的設(shè)計(jì)也得到了飛速發(fā)展，高速精密加工技術(shù)中最為核心的便是主軸單元，高速主軸單元的類(lèi)型主要有電主軸、氣動(dòng)主軸等，與電主軸相比，精密軸承具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易維護(hù)，發(fā)熱小，不污染環(huán)境，成本低等特點(diǎn)，因此在高速精密主軸設(shè)計(jì)中的實(shí)際應(yīng)用中，具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。本文重點(diǎn)就精密軸承在高速精密主軸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行分析和探討。

關(guān)鍵詞：精密軸承；高速精密主軸；設(shè)計(jì)應(yīng)用

隨著科技技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床正朝著高速、高精密、智能化、輕量化方向發(fā)展，主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床發(fā)展的關(guān)鍵。建立主軸單元精確模型，對(duì)主軸性能進(jìn)行精確仿真，從而在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸，實(shí)現(xiàn)最大的動(dòng)剛度和最小的材料和動(dòng)力消耗。以往主軸設(shè)計(jì)是根據(jù)設(shè)計(jì)條件，確定初始結(jié)構(gòu)尺寸，利用有限元建模、求解，最后對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)定，若不合格，則對(duì)尺寸加以修改，然后再建模、求解、評(píng)定，如此反復(fù)直到合格為止。這個(gè)過(guò)程耗時(shí)費(fèi)力，設(shè)計(jì)方案也不是最佳。鑒于此，作者將優(yōu)化技術(shù)直接融入主軸設(shè)計(jì)分析過(guò)程，快速分析計(jì)算設(shè)計(jì)變量對(duì)主軸性能的影響，尋找最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)理論設(shè)計(jì)代替經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，完成精確計(jì)算。

1.精密主軸系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

主軸系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)類(lèi)型有很多種，按照所用軸承種類(lèi)劃分，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有半運(yùn)動(dòng)式圓柱型軸承結(jié)構(gòu)軸系、錐形滑動(dòng)軸承軸系、V型弧滑動(dòng)軸承軸系和滾動(dòng)摩擦軸承軸系等。這些不同的結(jié)構(gòu)類(lèi)型有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于高精度精密主軸系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，考慮到軸系的回轉(zhuǎn)精度、剛度、主軸的熱穩(wěn)定性和使用壽命等因素，同時(shí)參考過(guò)去在精密主軸系統(tǒng)方面的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常都是采用技術(shù)成熟、應(yīng)用較廣的非標(biāo)密珠滾動(dòng)軸承的設(shè)計(jì)方案。根據(jù)儀器主軸系統(tǒng)安裝空間和安裝方式的要求，充分考慮精密儀器主軸機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的各種注意事項(xiàng)，初步設(shè)計(jì)軸系裝配圖。

2.高速主軸單元支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

軸承限位方式及其限位元件直接影響到主軸單元總體精度指標(biāo)，同時(shí)軸向限位元件也是保證軸承預(yù)緊力的重要元件之一。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床主軸單元設(shè)計(jì)中，軸承軸向限位元件常用的有精密鎖緊螺母和階梯過(guò)盈套。采用精密螺母方式安裝相對(duì)簡(jiǎn)單，但對(duì)主軸螺紋部分加工精度要求高，因螺紋聯(lián)結(jié)本身是一種動(dòng)不平衡因素，這將影響主軸動(dòng)平衡性能。因此這種結(jié)構(gòu)形式一般多用于8000r/min以下的機(jī)械式主軸。對(duì)于更高轉(zhuǎn)速的主軸，其動(dòng)平衡精度要求極高。為保證動(dòng)平衡精度，軸承軸向限位元件通常選用階梯過(guò)盈套。這樣不需在主軸上加工螺紋，容易保證過(guò)盈套的定位端面與軸心線垂直，主軸動(dòng)平衡性好。但采用這種方式安裝拆卸都需要根據(jù)主軸形式設(shè)計(jì)相應(yīng)的專(zhuān)用工藝裝備，其安裝拆卸復(fù)雜，要求高。如圖1所示，該主軸設(shè)計(jì)中，前、后軸承軸向限位元件都采用了階梯過(guò)盈套的形式，這樣有利于提高主軸動(dòng)平衡性能。階梯過(guò)盈套內(nèi)徑軸向分為二段，內(nèi)徑分別為D1和D2（二者相差較小），與之相配合的軸外徑也相應(yīng)分為d1和d2二段，這二段過(guò)盈都為過(guò)盈配合，但過(guò)盈量略有不同。安裝時(shí)須用熱裝方式完成安裝，拆卸時(shí)，在過(guò)盈套注軸孔處接一高壓油泵將階梯過(guò)盈套漲開(kāi)即可將階梯過(guò)盈套取下來(lái)。

3.精密主軸系統(tǒng)電機(jī)的選型

參考國(guó)內(nèi)外主流設(shè)計(jì)選型方案，選用了由DDR直驅(qū)力矩電機(jī)與主軸連接一體的直接驅(qū)動(dòng)方式，這種結(jié)構(gòu)省去了傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，主軸電機(jī)通過(guò)主軸直接作用到軸系，具有可靠性高、易維護(hù)、定位精度和可重復(fù)精度高、剛性好和機(jī)械噪聲低等諸多優(yōu)點(diǎn)，也是現(xiàn)在高精度主軸軸系普遍采用的一種方式。根據(jù)主軸與負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm（Jm=Mr2/2。式中，M為主軸與負(fù)載質(zhì)量，r為負(fù)載半徑）、主軸最大轉(zhuǎn)速n和最大角加速度a，可以計(jì)算出主軸系統(tǒng)所需的最大扭矩Tm=Jm·a。在電機(jī)選型的計(jì)算過(guò)程中，以往還需校驗(yàn)負(fù)載與電機(jī)軸的慣量比，但是因?yàn)镈DR直驅(qū)電機(jī)技術(shù)使得電機(jī)通過(guò)主軸直接連接到負(fù)載，電機(jī)和負(fù)載的慣量成為了一個(gè)公共慣量比，慣量比能夠達(dá)到大于11000∶1，這可以滿足絕大多數(shù)的應(yīng)用需求，因此只需根據(jù)最大扭矩Tm和所需的電機(jī)安裝形式尺寸選擇合適的主軸電機(jī)型號(hào)即可。對(duì)于精密主軸系統(tǒng)的分度元件，目前普遍采用的是高精度光柵角度編碼器，也是目前設(shè)計(jì)高精度主軸系統(tǒng)的最佳選擇。考慮機(jī)械安裝條件和設(shè)計(jì)所需達(dá)到的精度要求，選用了國(guó)際著名廠商生產(chǎn)的孔式圓光柵角度編碼器，光柵精度為±1″，一周光柵刻線36000線，光柵信號(hào)在經(jīng)過(guò)25倍頻處理后，再經(jīng)過(guò)4倍頻的光柵信號(hào)辨向倍頻處理，最終的光柵分辨率能達(dá)到0.36″，完全能夠滿足精密主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

4.主軸軸承的預(yù)緊技術(shù)分析

合理的預(yù)緊可以提高主軸系統(tǒng)精度、剛度、壽命和軸承的阻尼并降低噪聲。預(yù)緊帶來(lái)的負(fù)面影響是增大磨損，溫升增高。軸承預(yù)緊包括預(yù)緊力大小和預(yù)緊方式（定位式或定壓式）的確定。確定預(yù)緊力大小的原則是在高速性和剛度及溫升的矛盾中求得平衡。最佳預(yù)緊力可通過(guò)計(jì)算確定，其計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)軸向載荷來(lái)確定或者根據(jù)轉(zhuǎn)速與溫升來(lái)確定，但目前采用較多的方法是根據(jù)主軸技術(shù)指標(biāo)選擇標(biāo)準(zhǔn)預(yù)緊等級(jí)。精密主軸軸承預(yù)緊方式一般有定位式預(yù)緊和定壓式預(yù)緊兩種。定位預(yù)緊是通過(guò)預(yù)選定的內(nèi)外圈隔墊使組配軸承內(nèi)圈之間和外圈之間處于某一固定位置，從而使軸承獲得合適的預(yù)緊。其優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)，但高速性不如定壓式預(yù)緊。在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床中，定壓預(yù)緊是一種常見(jiàn)的預(yù)緊方式，其工作原理是利用螺旋彈簧、碟形彈簧或可調(diào)液壓力等預(yù)緊裝置使軸承得到合適的預(yù)緊。其特點(diǎn)是預(yù)緊力的大小是由預(yù)緊裝置本身決定的，其值基本不變，高速性好。但在使用定壓式預(yù)緊時(shí)，確定彈簧力的大小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配都較復(fù)雜。對(duì)成組彈簧的制造要求高，在裝配前一般應(yīng)使用專(zhuān)門(mén)的彈簧測(cè)力裝置對(duì)成組彈簧剛度與長(zhǎng)度的一致性進(jìn)行檢查；在設(shè)計(jì)中確定彈性力的大小時(shí)應(yīng)充分考慮負(fù)荷大小、主軸質(zhì)量、軸承本身預(yù)緊力大小等各種因素。

綜上所述，高速機(jī)床主軸軸承一般有角接觸軸承、圓柱滾子軸承和雙向角接觸軸承等幾種形式。對(duì)于高速輕載型高速主軸，前后支承一般選用角接觸軸承。

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