簡述數(shù)控機床的主軸組件

楊 磊 侯志敏

摘要:數(shù)控機床主軸組件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)率有著直接影響。由于數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速高,功率大,并且在加工過程中不進行人工調(diào)整,因此要求其具有良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。所以主軸組件的性能是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的重要因素。

關(guān)鍵詞:轉(zhuǎn)速;承載能力;回轉(zhuǎn)精度;激振力;抗振性;溫升

數(shù)控機床主軸組件是機床的重要部件之一,它是機床的執(zhí)行件。它的功用是支承并帶動主軸。由主軸及其支承和安裝在主軸上的傳動件、密封件等組成。由于數(shù)控機床的轉(zhuǎn)速高,功率大,并且在加工過程中不進行人工調(diào)整,因此要求良好的回轉(zhuǎn)精度、結(jié)構(gòu)剛度、抗振性、熱穩(wěn)定性及精度的保持性。對于自動換刀的數(shù)控機床,為了實現(xiàn)刀具在主軸上的自動裝卸和夾持,還必須有刀具的自動夾緊裝置、主軸準(zhǔn)停裝置和切屑清除裝置等結(jié)構(gòu)。

主軸組件的工作性能,對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)率有著直接影響,是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的重要因素。因此,數(shù)控機床對主軸組件有較高的要求。

主軸支承是主軸組件的重要組成部分,主軸支承是指主軸軸承、支承座及其相關(guān)零件的組合體,其中核心元件是軸承。采用滾動軸承的支承稱為主軸滾動支承;采用滑動軸承的支承稱為主軸滑動支承。滾動軸承的主要優(yōu)點是適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動的范圍大;能在零間隙或負間隙(一定的過盈量)條件下穩(wěn)定運轉(zhuǎn),具有較高的旋轉(zhuǎn)精度和剛度;軸承潤滑容易,維修、供應(yīng)方便,摩擦因數(shù)小等。其缺點是滾動軸承的滾動體數(shù)目有限,剛度是變化的,阻尼也較小,容易引起振動和噪聲;徑向尺寸也較大?；瑒虞S承具有抗振性好、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)精度高及徑向尺寸小等優(yōu)點,但制造、維修比較困難,并受到使用場合限制,如立式主軸漏油問題解決較困難等。

數(shù)控機床主軸支承根據(jù)主軸組件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。一般中小型數(shù)控機床(車床、銑床、加工中心、磨床)的主軸組件多采用滾動軸承;重型數(shù)控機床采用液體靜壓軸承;高精度數(shù)控機床(如坐標(biāo)磨床)采用氣體靜壓軸承;轉(zhuǎn)速達(2-10)×104r/min的主軸可采用磁力軸承或陶瓷滾動軸承。在使用中,應(yīng)根據(jù)主軸組件工作性能的要求、制造條件和經(jīng)濟效果綜合考慮,合理選用。

主軸組件的滾動軸承既要有承受徑向載荷的徑向軸承,又要有承受兩個方向軸向載荷的推力軸承。軸承類型及型號選用主要應(yīng)根據(jù)主軸組件的剛度、承載能力、轉(zhuǎn)速、抗振性及結(jié)構(gòu)等要求合理進行選定。

同樣尺寸的軸承,線接觸的滾子軸承比點接觸的球軸承的剛度要高,但極限轉(zhuǎn)速要低;多個軸承比單個軸承承載能力要大;不同軸承承受載荷類型及大小不同;還應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)要求,如中心距特別小的組合機床主軸,可采用滾針軸承。為提高主軸組件的剛度,通常采用輕系列或特輕系列軸承,因為當(dāng)軸承外徑一定時其孔徑(即主軸軸頸)可以較大。

通常情況下,可按下列條件選用滾動軸承。

(1)中高速重載。雙列圓柱滾子軸承配雙向推力角接觸球軸承(如配推力軸承,則極限轉(zhuǎn)速低)。成對圓錐滾子軸承結(jié)構(gòu)簡單,但極限轉(zhuǎn)速較低?？招膱A錐滾子軸承的極限轉(zhuǎn)速可以提高,但成本較高。

(2)高速輕載。成組角接觸球軸承,根據(jù)軸向載荷的大小分別選用25°或15°接觸角。

(3)軸向載荷為主。精度不高時,選用推力軸承配深溝球軸承;精度較高時,選用向心推力軸承。

通常提高主軸組件性能的措施有以下幾種:

(1)提高旋轉(zhuǎn)精度。

提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度,首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度,此外還可采取一些工藝措施,例如選配法、裝配后精加工等方法。

(2)改善動態(tài)特性。

主軸組件應(yīng)有較高的動剛度和較大的阻尼,使得主軸組件在一定幅值的周期性激振力作用下,受迫振動的振幅較小。通常主軸組件的固有頻率是很高的,遠遠高于主軸的最高轉(zhuǎn)速,故不必考慮共振問題,按靜態(tài)處理。但是對于高速主軸,特別是帶內(nèi)裝式電動機的高速主軸,則要考慮共振問題。改善動態(tài)特性的主要措施有以下一些:

①使主軸組件的固有頻率避開激振力的頻率。通常應(yīng)使固有頻率高于激振力頻率30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸的剛體振動(平移或搖擺振型),則可設(shè)法提高軸承剛度;當(dāng)屬于主軸的彎曲振動,則需提高主軸的剛度,如適當(dāng)加大主軸直徑、縮短懸伸等。激振力可能由于主軸組件不平衡(固有頻率等于主軸轉(zhuǎn)速)或斷續(xù)的切削力(固有頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘刀齒數(shù))等而產(chǎn)生。

②主軸軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大,特別是前軸承。如果加工表面的Ra值要求很小,又是臥式主軸,可用滑動軸承。例如外圓磨床和臥軸平面磨床。滾動軸承中,圓錐滾子軸承的端面有滑動摩擦,其阻尼要比球軸承和圓柱滾子軸承高一些。適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼,但過大的預(yù)緊反而使阻尼減小。故選擇預(yù)緊時還應(yīng)考慮阻尼的因素。

③采用三支承結(jié)構(gòu)時,其中輔助支承的作用在很大程度上是為提高抗振性。

④采用消振裝置。

(3)控制主軸組件溫升。

主軸運轉(zhuǎn)時,滾動軸承的滾動體在滾道中摩擦、攪油,滑動軸承承載油膜受到剪切內(nèi)摩擦,均會產(chǎn)生熱量,使軸承溫度上升。軸承直徑越大,轉(zhuǎn)速越高,發(fā)熱量就越大。故軸承是主軸組件的主要熱源。前后軸承溫度的升高不一致,使主軸組件產(chǎn)生熱變形,從而影響軸承的正常工作,導(dǎo)致機床加工精度降低。故對于高精度和高效自動化機床,如高精度磨床、坐標(biāo)鏜床和自動交換刀具的數(shù)控機床(即加工中心),控制主軸組件溫升和熱變形,提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要措施有兩項:

①減少支承發(fā)熱量。合理選擇軸承類型和精度,保證支承的制造和裝配質(zhì)量,采用適當(dāng)?shù)臐櫥κ?均有利于減少軸承發(fā)熱。

②采用散熱裝置。通常采用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。這些方法能夠有效地降低軸承溫升,減少主軸組件熱變形。機床實行箱外強制循環(huán)潤滑,不僅帶走了部分熱量,而且使油箱擴大了散熱面積。對于高精度機床主軸組件,油液還要用專門的冷卻器冷卻,以降低溫度。采用恒溫裝置,降低軸承溫升,可使主軸熱變形小而均勻。

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