基于ROMAX的主軸配置型式對軸系性能的影響規(guī)律研究

劉光輝，吳文武，洪 軍

（西安交通大學 機械工程學院，西安 710049）

0 引言

主軸組件作為機床的重要組成部分，其動靜態(tài)特性對于機床的加工精度、表面質量以及生產率等都會產生很大的影響。不同的軸承配置形式對主軸系統(tǒng)的性能有著顯著影響，因此，對于主軸系統(tǒng)的軸承配置形式進行研究就顯得尤為重要并且具有很強的現(xiàn)實意義。

已有學者對影響主軸系統(tǒng)的部分因素進行了研究。羅繼偉[1]等對高速機床主軸支承系統(tǒng)的典型結構和配置選擇注意事項進行了闡述；劉偉[2]等比較了加工中心主軸常用的六種軸承配置形式，對各配置的特性進行了分析；張振山[3]等使用ANSYS對主軸支撐跨距的設計方法和步驟進行了研究，并對一實例進行優(yōu)化分析；陳潔青[4]等研究了最佳預緊力的性能指標和確定準則。

但現(xiàn)有文獻對軸承配置的研究僅限于定性分析，并且對軸承不同組合方式對軸系性能的影響研究較少。對于軸承預緊和前端懸伸，也缺少系統(tǒng)的定量分析。本文以高速、精密主軸常用的角接觸球軸承為研究對象，通過計算不同主軸結構參數(shù)和配置時的軸系性能指標，對影響軸系性能的因素進行系統(tǒng)的分析研究，為實際主軸設計提供理論依據(jù)。

1 仿真分析模型建立

軸系模型采用銑削主軸常用的前后支承結構，前后支承均采用角接觸球軸承，其結構可方便調節(jié)主軸跨距、懸伸、軸承配置等結構參數(shù)。

以一款高速銑削機械主軸為參考，使用英國ROMAX科技有限公司開發(fā)的仿真分析軟件對軸系進行簡化建模，具體如圖1所示。

圖1 ROMAX軸系仿真模型

銑削主軸基本工況，主軸前端所受切削力為Fx=500N，F(xiàn)y=500N，F(xiàn)z=200N。同時根據(jù)驅動電機參數(shù)，主軸轉速為3000rpm。主軸軸承均使用定位預緊，預緊量為30μm，軸承編號從左到右依次為1#，2#...。在對軸系進行分析時，軸承配置形式會發(fā)生改變，但建模方式及工況條件保持不變。

2 主軸靜動態(tài)特性仿真分析

以主軸中軸承為主要分析對象，分別從軸承組配形式、軸承間是否使用隔圈、軸承跨距及軸端懸伸量、軸承預緊四個方面進行分析。

2.1 軸承配對形式對軸系性能影響

在軸承數(shù)量相同的情況下，軸承的分布及配對形式對軸系性能有著很大的影響。

以銑削主軸常用的三套軸承為例，通過不斷變化軸承在軸系上的分布及配對方式，分析各情況下的軸系性能。并分別將仿真分析結果匯總如表1所示。

表1 軸承數(shù)量對軸系性能影響分析結果

從表1中數(shù)據(jù)可知，各配置中軸承壽命和一階固有頻率相差不大，故著重考慮軸系剛度。

將曲線1與曲線2對比、曲線3與曲線4對比可知，前二后一的軸承分布要優(yōu)于前一后二的軸承分布。故在主軸系統(tǒng)設計時，若需依靠增加軸承來提高軸系剛度，則軸承優(yōu)先加在軸系前端。

對比曲線1和曲線3可知，前后軸承背靠背的配置方式優(yōu)于面對面的軸承配置。

整體分析表明，三套軸承的配置中，方案7的軸承配置形式是最優(yōu)的。

2.2 軸承隔圈對軸系性能影響

隔圈的使用會使得相鄰軸承之間不直接接觸，因此會對軸系的性能產生一定的影響，本小節(jié)以隔圈對主軸系統(tǒng)的影響為研究目標，以前二后二配置四套軸承的軸系模型為例，在不改變前后軸承跨距的前提下，對比分析使用隔圈前后軸系性能參數(shù)的變化。

表2 隔圈對軸系性能影響分析結果

圖3 軸承隔圈對軸系剛度影響

圖4 軸承隔圈對軸承壽命影響

對比圖3的兩曲線可知，使用隔圈可小幅提高軸系剛度，但由于軸承隔圈精度要求較高，并且需要與軸承進行配磨，故不推薦通過使用隔圈來達到提高軸系剛度的目的。

圖2 不同軸承組合對軸系剛度影響

從圖4中兩曲線可知，隔圈對軸承壽命的影響不明顯，當前后軸承均為串聯(lián)組配時，使用隔圈能提高軸承壽命；但當前后軸承對為背對背或者面對面組配時，使用隔圈會降低軸承壽命。但從整體來看，軸承配對方式對壽命的影響遠大于隔圈的影響。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，使用隔圈可以提高軸系的一階固有頻率，故在軸系設計時，可以考慮通過調整隔圈來使其固有頻率對應的轉速避開軸系的工作轉速區(qū)。

2.3 跨距及懸伸對軸系性能影響

軸承的跨距以及前段懸伸會影響軸承所受載荷，因此對軸系的性能也會產生較大影響?，F(xiàn)通過控制變量法分別改變軸承的跨距和前端懸伸量來分析軸系特性，分析中采用的軸承配置型式及分析結果如表3所示。

表3 軸承跨距和主軸懸伸量對軸系性能影響分析結果

圖5 軸端位移隨懸伸量變化趨勢圖

圖6 軸端位移隨軸承跨距 變化趨勢圖

從圖5中曲線結果可知，主軸前端懸伸量對主軸系統(tǒng)的剛度有著很大影響，隨著懸伸量的增加，軸系剛度逐漸降低，且下降比較明顯。

從圖6中曲線結果可知，主軸的跨距在所分析的范圍內對主軸系統(tǒng)的剛度影響較小，隨著主軸軸承跨距的增加，軸系剛度略有增加，但效果微弱。但是，軸承跨距對軸系的一階固有頻率影響較大，從圖5中一階固有頻率曲線可知，軸系存在最優(yōu)跨距。

2.4 軸承預緊力對軸系性能影響

預緊力對軸承剛度和軸承壽命有著很大的影響。以前二后二四套軸承的主軸系統(tǒng)為研究對象，分析計算不同軸承預緊時軸系剛度和軸承壽命等性能的變化情況。

分析中采用輕預緊、中度預緊和重預緊三種情況，每種預緊工況對應的軸承預緊量分別為10μm、30μm和50μm。通過ROMAX軟件，分析了前后軸承采用不同預緊時軸系性能參數(shù)的變化，具體分析數(shù)據(jù)及分析結果如表4所示。

表4 不同軸承預緊對軸系性能影響分析結果

圖7 軸承預緊對軸系剛度影響

圖8 軸承預緊對軸承壽命影響

由圖7可知，增加軸承預緊力可顯著提高軸系剛度，但隨著預緊力的增大，增幅越來越小。

由圖8可知，軸承壽命會隨著預緊力的增加而大幅降低?？傮w計算結果表明，前后軸承的壽命均會隨著預緊力的增大而降低，并且前后軸承壽命值相差很小。但由于1#軸承承受前端加載力是最大的，故其壽命最短。

分析表明，在實際選擇軸承預緊量時，需綜合考慮軸系的剛度需求和軸承壽命要求。

3 結束語

本文通過仿真軟件對主軸軸承系統(tǒng)的特性進行了分析，得出不同軸系參數(shù)對主軸系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，從而能對軸系的實際設計提供設計指導和數(shù)據(jù)參考，研究結論如下：

1）軸承配置對軸系性能影響顯著，分析表明，通過增加軸承數(shù)量提高軸系剛度時，在前端增加軸承效果明顯；對于三套軸承的雙支承結構，前端兩軸承串聯(lián)，整體背靠背配置最優(yōu)。

2）使用隔圈能小幅提高軸系剛度；另外，可以通過調整隔圈實現(xiàn)對軸系臨界轉速的控制。

3）主軸懸伸量對軸系剛度影響較大，在實際設計時，可盡可能縮短懸伸來提高軸系的剛度；軸承跨距對軸系剛度影響不明顯，可通過綜合分析動態(tài)性能，找出軸承最優(yōu)跨距。

4）提高軸承預緊能大幅提高軸系剛度，但軸承壽命會隨之降低，實際設計時需綜合考慮性能和壽命的需求。

[1] 王玉金,趙韓,羅繼偉.高速機床主軸支承系統(tǒng)軸承配置分析[J].制造技術與機床,2003,(1):44-46.

[2] 劉偉.臥式加工中心主軸系統(tǒng)設計[D].大連理工大學,2009.

[3] 張振山等.淺析利用Ansys軟件合理設計機床主軸支撐跨距[J].制造技術與機床,2010,(4):59-60.

[4] 陳潔青,王艷春.電主軸系統(tǒng)的最佳預緊力研究[J].機電工程技術,2007,36(7).

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