臥式加工中心電主軸軸承的關(guān)鍵技術(shù)研究

溫得英

（青海大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，青海 西寧810016）

隨著數(shù)控機(jī)床向高速度和高精度的發(fā)展，對(duì)其起著關(guān)鍵作用的主軸部件在各項(xiàng)技術(shù)上也得到迅速發(fā)展并日趨完善，加工中心主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已在很大程度上得到了簡化，基本取消了傳統(tǒng)的帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)。主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。這種主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸“合二為一”的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)形式，使主軸部件從機(jī)床傳動(dòng)系統(tǒng)和整體結(jié)構(gòu)中相對(duì)獨(dú)立出來，因此可做成“主軸單元”，俗稱“電主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大、具有調(diào)速范圍廣、振動(dòng)噪聲小，而且便于控制，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停、準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等功能[1]。

本文主要設(shè)計(jì)臥式加工中心主軸系統(tǒng)，分析陶瓷球軸承在臥式加工中心主軸的上的應(yīng)用技術(shù)，通過陶瓷球軸承在主軸上的應(yīng)用使得主軸轉(zhuǎn)速能夠提高到15 000 r/min。

1 加工中心電主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)主電動(dòng)機(jī)與主軸軸承相對(duì)位置的不同，高速電主軸單元主要有兩種結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方式[2]：一種是主電機(jī)置于主軸前、后軸承之間；另一種是主電動(dòng)機(jī)置于主軸后軸承之后。

本文設(shè)計(jì)的高速電主軸機(jī)構(gòu)布局是主電機(jī)置于前后軸承之間，結(jié)構(gòu)如圖1所示。該電主軸的主軸部件由前后兩套角接觸陶瓷球軸承支承。前軸承固定，承受徑向載荷和雙向軸向載荷；后軸承在軸向浮動(dòng)，可以有微量位移，以補(bǔ)償主軸工作時(shí)的熱伸長。前后軸承均采用定位式預(yù)緊，并用過盈套固定在主軸上。使用的無外殼主軸電機(jī)直接安裝在主軸箱內(nèi)，位于主軸前后軸承之間。電機(jī)轉(zhuǎn)子用壓裝配合的方法，直接裝在機(jī)床的主軸上，帶冷卻套的電機(jī)定子則安裝在主軸單元的殼體中。這樣，電機(jī)的轉(zhuǎn)子就成為了機(jī)床的主軸，機(jī)床主軸單元的殼體就是電機(jī)座，實(shí)現(xiàn)了變頻電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。

圖1 高速電主軸結(jié)構(gòu)簡圖

2 電主軸軸承的潤滑及冷卻

主軸軸承采用油—?dú)鉂櫥到y(tǒng)進(jìn)行潤滑和冷卻，盡管高速電主軸的潤滑系統(tǒng)對(duì)主軸軸承的摩擦發(fā)熱有一定的冷卻作用，但高速電主軸內(nèi)置高頻電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子的內(nèi)阻，在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這些熱在主軸殼體內(nèi)以傳導(dǎo)、對(duì)流、輻射的形式相互傳遞，互相影響。所以，在高速電主軸設(shè)計(jì)時(shí)，專門針對(duì)高速電主軸軸承和定子繞組的散熱問題，在軸承襯套上加工環(huán)槽，以實(shí)現(xiàn)水冷卻[3]；在定子繞組外殼上設(shè)計(jì)循環(huán)螺旋冷卻水套，并將該冷卻水套延伸至前軸承外圈，保證軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，不會(huì)因軸承發(fā)熱而失效。同時(shí)，為了增強(qiáng)散熱效果，根據(jù)主軸的功率和轉(zhuǎn)速情況，對(duì)冷卻水套中的冷卻介質(zhì)分別選用水冷、油冷或油水熱交換的方式，并通過改變冷卻水套中冷卻介質(zhì)的流速和流量，起到增強(qiáng)主軸散熱冷卻效果的目的[4]，使電主軸在相對(duì)穩(wěn)定的溫度下工作，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。

圖2 高速電主軸循環(huán)冷卻水套結(jié)構(gòu)示意圖

3 影響軸承運(yùn)行剛度的因素

軸承的運(yùn)行剛度是滾動(dòng)體與內(nèi)外圈滾道間的接觸、轉(zhuǎn)速、初始預(yù)緊載荷、熱預(yù)緊力、彈流潤滑油膜厚度等因素綜合作用的結(jié)果（如圖3）。如式（1），可以認(rèn)為軸承運(yùn)行剛度由赫茲接觸剛度、熱預(yù)緊剛度和油膜剛度串聯(lián)而成,下面對(duì)其影響因素進(jìn)行分析。

圖3 軸承剛度計(jì)算流程圖

式中，

KO為軸承運(yùn)行剛度；

KC為赫茲接觸剛度；

Kt為熱預(yù)緊剛度；

Kf為油膜剛度[5]。

4 電主軸軸承的發(fā)熱分析與計(jì)算

軸承的摩擦是內(nèi)外套圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，軸承內(nèi)部各元件對(duì)該運(yùn)動(dòng)阻抗的總和。按阻抗的機(jī)理和產(chǎn)生部位的不同，可分為以下五類[6]：材料彈性滯后所引起的純滾動(dòng)摩擦，發(fā)生在套圈和滾動(dòng)體接觸區(qū)的微觀差動(dòng)滑動(dòng)摩擦，宏觀滑動(dòng)摩擦，自旋滑動(dòng)摩擦，潤滑劑的摩擦損耗。

Palmgren通過試驗(yàn)研究給出了計(jì)算摩擦力矩的經(jīng)驗(yàn)公式，根據(jù)Palmgren的理論，摩擦力矩M主要由空載時(shí)潤滑油粘性所產(chǎn)生的摩擦力矩M0和與速度無關(guān)的載荷作用產(chǎn)生的摩擦力矩M1兩部分組成。

Palmgren通過試驗(yàn)結(jié)果給出了空載時(shí)潤滑油粘性產(chǎn)生的摩擦力矩M0的計(jì)算公式[7]：

式中，

dm為軸承平均直徑，m；

f0為取決于軸承設(shè)計(jì)和潤滑方式的系數(shù)，對(duì)于角接觸球軸承油氣潤滑方式，f0=1；

n為軸承內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)速度，rpm；

γ為運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下潤滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度，cSt（m2/s）。

Palmgren認(rèn)為載荷引起的摩擦力矩M1，反映了彈性滯后和局部差動(dòng)滑動(dòng)的摩擦功耗，可按下式進(jìn)行計(jì)算[4]：

式中，

f1為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)，角接觸球軸承f1=0.001；

dm為滾動(dòng)軸承的平均直徑。m；

P0為軸承的等效靜載荷，N；

C0為軸承額定靜載荷，N；

P1為決定摩擦力矩的當(dāng)量載荷，N。

所以，滾動(dòng)軸承的摩擦力矩為：

軸承的摩擦功率按下式計(jì)算：

式中，

n為軸承轉(zhuǎn)速，rpm；

M為軸承摩擦力矩，N·m。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了電主軸單元的總體結(jié)構(gòu)，分析了影響主軸軸承性能的各項(xiàng)因素，從而確定了軸承采用背靠背的配置方式來提高主軸的剛度，以及軸承座處設(shè)計(jì)了冷卻槽，利用油—水熱交換系統(tǒng)來對(duì)前軸承組進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，為主軸性能的進(jìn)一步提高打下了基礎(chǔ)。

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