角接觸球軸承主軸組的裝配與調(diào)整

王 勝

(沈陽市政府投資項目評審中心，遼寧 沈陽 110014)

隨著刀具技術(shù)的發(fā)展，大型鏜銑加工中心的主軸系統(tǒng)正向著高轉(zhuǎn)速、高精度、高剛度以及高熱穩(wěn)定性方向發(fā)展。角接觸球軸承以其高轉(zhuǎn)速、高精度的特性，越來越廣泛地應(yīng)用于加工中心的主軸系統(tǒng)。本文以從德國引進(jìn)的產(chǎn)品HMC100的主軸系統(tǒng)為例，分別就回轉(zhuǎn)精度分析與調(diào)整、剛度分析與調(diào)整以及溫升分析與控制等三方面來說明角接觸球軸承主軸組的裝配與調(diào)整要點。

1 主軸回轉(zhuǎn)精度分析與裝配調(diào)整

HMC100型臥式加工中心的主軸系統(tǒng)是由主軸、支承套、內(nèi)隔套、箱體及前后軸承等零件組成的(如圖1所示)，其主軸回轉(zhuǎn)精度包括主軸錐孔徑向跳動、軸向竄動和鏜孔圓度(工作精度)。

圖1 HMC100產(chǎn)品主軸結(jié)構(gòu)示意圖

a.引起主軸錐孔徑向跳動的原因及控制要點。

(1)主軸回轉(zhuǎn)軸線運動軌跡“漂移”。

鏜銑類機(jī)床刀具隨主軸旋轉(zhuǎn)，軸承外環(huán)內(nèi)滾道的圓度誤差直接導(dǎo)致主軸回轉(zhuǎn)軸線的運動軌跡產(chǎn)生“漂移”，產(chǎn)生主軸徑向跳動。在切削力的作用下，軸承外環(huán)內(nèi)滾道的圓度誤差也會復(fù)映到鏜孔的圓度上。

支承套受卡架磨削方式影響，外圓圓度誤差直接復(fù)映到內(nèi)孔上，其誤差相位角度相差90°，支承套與箱體過盈配合后受擠壓作用影響會加劇支承套內(nèi)孔的變形，進(jìn)一步將使軸承外環(huán)發(fā)生變形，使其內(nèi)滾道圓度產(chǎn)生誤差。

在加工裝配過程中必須嚴(yán)格控制箱體孔的圓度、支承套內(nèi)孔及外圓的圓度以及與箱體孔的配合誤差，保證主軸軸承裝配后外環(huán)內(nèi)滾道的圓度。

(2)定心軸頸與主軸回轉(zhuǎn)軸線的同軸度誤差。

假設(shè)前軸承內(nèi)環(huán)軌道與內(nèi)孔的偏心矢量為e1，后軸承內(nèi)環(huán)軌道與內(nèi)孔的偏心矢量為e2，主軸錐孔與支承軸徑的偏心矢量為e3，3個矢量e1，e2，e3綜合作用的結(jié)果為:e=e'1+e'2+e3，圖2為誤差矢量合成圖。

圖2 誤差矢量合成圖

圖中:e1'=(1+A/L)e1;e2'=(A/L)e2。

可見，當(dāng)|e1'|，|e2'|，|e|相差不大，在充分可靠的測量數(shù)據(jù)支撐下，通過控制各誤差矢量的方向，可使各誤差相互“抵消”，使總誤差|e|趨近零或最小。因此，控制定心軸頸與主軸回轉(zhuǎn)軸線的同軸度誤差的要點是:使e1與e2的相位一致且與e3相位差180°。

高精度軸承內(nèi)外環(huán)最厚點(最大偏心點)均在出廠時做了標(biāo)記并給出了偏心值。在實際裝配過程中，利用上述誤差補償原理，通過事先預(yù)檢，裝配時使各軸承內(nèi)外環(huán)上的標(biāo)記處于一條線上，并且使內(nèi)環(huán)上的標(biāo)記相對于主軸錐孔徑向跳動最高點相差180°，這樣可使各誤差得到部分“抵消”，實踐證明這是一種行之有效的方法。

b.引起軸向竄動的原因及控制要點。

引起軸向竄動的因素有兩個:滾道偏斜和主軸軸肩相對于回轉(zhuǎn)軸線的不垂直度。

要避免或減少此項誤差，要點在于控制支承套內(nèi)孔端面的端面跳動、軸肩的垂直度以及內(nèi)隔套的平行度。

c.主軸回轉(zhuǎn)精度的測量。

在機(jī)床制造工廠，常常沿用傳統(tǒng)的方法檢測主軸錐孔的徑向跳動，即用檢棒每轉(zhuǎn)90°檢測一次徑向跳動值，然后將4次測量結(jié)果的算術(shù)平均值視為主軸徑向跳動誤差，但這是不科學(xué)的，因為這是建立在檢棒精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸回轉(zhuǎn)精度的前提下而得出的結(jié)論，實際上由于檢棒常常因使用不當(dāng)發(fā)生變形，而這種變形引起的誤差對于精密機(jī)床而言是不容忽視的。主軸徑向跳動檢測方法如圖3所示，正確的徑向跳動精度檢測方法如下:

(1)改變主軸與檢棒的相互位置，測出最大徑向跳動值A(chǔ)，在最大徑向跳動位置處的主軸和檢棒上做標(biāo)記，用兩個“點”標(biāo)記相互位置。

(2)檢棒旋轉(zhuǎn)180°，再次測出徑向跳動值，設(shè)其值為B。檢棒旋轉(zhuǎn)180°之后，主軸最大徑向跳動值發(fā)生的位置有兩種可能:①在主軸上的標(biāo)記處，此種情況下主軸的真實徑向跳動誤差為e=|A+B|/2;②在檢棒上的標(biāo)記處，此種情況下主軸的真實徑向跳動誤差為e=|A-B|/2。

圖3 主軸徑向跳動檢測方法示意圖

2 主軸組剛度分析及調(diào)整計算

主軸剛度是重要的性能指標(biāo)，影響主軸剛度的因素:一是主軸軸承的預(yù)緊量;二是主軸組各零件間的(過盈或間隙)配合狀態(tài)。

2.1 主軸軸承的預(yù)緊

主軸軸承的預(yù)緊不僅能提高主軸剛性，還具有如下作用:(1)提高運轉(zhuǎn)精度。(2)避免滾動體與滾道之間發(fā)生相對滑動。預(yù)緊力不足時，高轉(zhuǎn)速情況下滾動體在離心力作用下，在內(nèi)環(huán)及外環(huán)的接觸位置發(fā)生變化造成接觸角度不一致，從而導(dǎo)致滾動體與滾道發(fā)生相對滑動，滑動將破壞油膜，引起磨損及溫升。(3)補償因跑合和磨損造成的間隙。(4)延長軸承的使用壽命。(5)使運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，降低噪聲。

軸承預(yù)緊力的大小可用軸向預(yù)緊量、徑向預(yù)緊量以及摩擦啟動力矩等方式表示，工程上以使用軸向預(yù)緊量(控制間隔套尺寸)最為方便。

為了能準(zhǔn)確確定間隔套尺寸，必須先了解軸承的力-變形方程。

根據(jù)球面接觸的赫茲變形方程，可推導(dǎo)出單個角接觸球軸承的力-變形方程如下:

式中:k為軸承系數(shù)(本文產(chǎn)品為0.07684);δ為軸向變形量;F為軸向預(yù)緊力。

成對安裝的一組軸承經(jīng)預(yù)緊后，其受力與變形不同于單個軸承的受力與變形。圖4所示為軸承組受力與變形示意圖，對于單個軸承，在預(yù)緊力F0的基礎(chǔ)上再產(chǎn)生軸向變形δ，只需力A1即可;而成對安裝(成對指背對背或面對面，非指并列兩個軸承)并經(jīng)過預(yù)緊后，再要發(fā)生軸向變形δ，則需外力為A1+A2。若兩個軸承型號相同，則A1=A2，可見剛度提高了1倍。

圖4 軸承組受力與變形示意圖

根據(jù)公式 (1)可知，當(dāng)外力A=2.83F0時，軸承組的預(yù)緊將完全被解除。機(jī)床主軸組預(yù)緊力不足時，在切削力作用下便容易產(chǎn)生這種狀況。因此主軸組設(shè)計參數(shù)中往往給出軸向抗力這一參數(shù)，目的就在于此。

根據(jù)圖4可以建立預(yù)緊后軸承組的力-變形方程

對式(2)求導(dǎo)數(shù)，得出剛度方程

對剛度方程(3)求二階導(dǎo)數(shù)得

從公式(4)可以看出F″＜0，由此可以判定成組預(yù)緊后的軸承組的剛度將隨外力的增加而剛度遞減。圖5所示為單個軸承及成對軸承的力-變形曲線。

圖5 單個軸承及成對軸承的力-變形曲線

許多軸承制造廠家提供成組的角接觸球軸承。軸承組可以由兩個或多個軸承組成，軸承組在外環(huán)上有成組標(biāo)記“ ＞”。軸承組是按直徑公差及內(nèi)部間隙選配的。當(dāng)某軸承組按成組標(biāo)記“ ＞”方向排列而且互相靠緊時，則預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊量就會在軸承間形成。

有的軸承廠家提供萬向端面軸承(Bearing for universal mounting)，這種軸承內(nèi)外圈等寬，以軸承圈的端面作為調(diào)整環(huán)節(jié)，當(dāng)軸承為背對背或面對面排列而互相靠緊時，預(yù)先設(shè)定的預(yù)緊力便可自動形成，可以節(jié)省測量軸承端面臺階差及制造不等寬間隔套的加工過程，內(nèi)外間隔套可以一次裝夾，同時磨削，保證平行等寬。當(dāng)軸承采用串聯(lián)同向方式排列時，可以平均分配外界負(fù)荷。如果能選擇上述類型軸承，則可以大大減少調(diào)整工作量。

軸承力-變形方程中軸承系數(shù)是隨軸承型號變化而變化的，系數(shù)不確定時只能做定性分析，只有當(dāng)系數(shù)確定后，才能做定量分析。個別軸承廠家提供的內(nèi)部資料中，給出了各種軸承預(yù)設(shè)的預(yù)緊力值(輕、中、重3種)以及從一種預(yù)緊級別向另一種級別改變時，內(nèi)外環(huán)臺階差的軸向改變量。據(jù)此，可以推算出特定軸承的軸承系數(shù)。

2.2 主軸組各零件間的配合狀態(tài)

當(dāng)軸承被過盈地裝配到主軸上時，其內(nèi)環(huán)軌道將膨脹，當(dāng)軸承被過盈裝入軸承座孔中，其外環(huán)軌道將受壓縮小，這兩種情況都會改變軸承組的設(shè)定預(yù)緊力。

軸承和支承孔及軸頸的配合狀態(tài)與軸承滾道直徑的變化關(guān)系可以由圖6～10查出。當(dāng)徑向膨脹量或壓縮量確定后，軸向預(yù)緊量的改變可通過圖7～9查出。圖10給出了不同接觸角時軸向預(yù)緊改變量與徑向預(yù)緊改變量之間的關(guān)系。

圖6 參數(shù)圖

圖7 內(nèi)環(huán)滾道變形圖(鋼軸)

圖8 外環(huán)滾道變形圖(鑄鐵座)

以HMC100產(chǎn)品為例，若主軸軸承71932/QBCP4與主軸配合過盈量為7μm，與支承套孔過盈量為5μm，其他參數(shù)可通過查圖確定:de/d=178/160=1.11;di/d=72/160=0.45;De/D=265/220=1.2;Di/D=202/220=0.92。

圖9 外環(huán)滾道變形圖(鋼質(zhì)孔座)

圖10 軸向-徑向變形量關(guān)系圖

根據(jù) de/d及 di/d值，查圖7可得 δi/Δi=0.85，由此可得內(nèi)環(huán)滾道將因膨脹而增加0.85×7=5.95μm的徑向預(yù)緊量。

根據(jù)De/D及 Di/D值，查圖9可得 δe/Δe=0.63，由此可得外環(huán)滾道因受壓縮而增加0.63×5=3.15μm的徑向預(yù)緊量。

總的徑向預(yù)緊量將為 5.95+3.15=9.1μm 。該軸承的接觸角為25°，從圖10可查得軸向預(yù)緊量將增加19.5μm。這意味著當(dāng)軸承以背對背方式排列時，若要求裝配后的預(yù)緊力與零配合狀態(tài)下的預(yù)緊力相同，則內(nèi)環(huán)隔套需增長19.56μm(即內(nèi)隔套需加寬19.56μm)。

軸承樣本中通常會給出軸承與軸及軸承座孔的配合推薦值，必須嚴(yán)格遵守。實際制造過程中，由于零件精度要求過嚴(yán)，常常發(fā)生零件超差現(xiàn)象，為了不使價格昂貴的零件因某項精度不合而報廢，就必須掌握超差對預(yù)緊量的影響規(guī)律，從而通過改變內(nèi)隔套的尺寸來抵消這一影響。

3 主軸組溫升分析與控制

在脂潤滑主軸設(shè)計中，預(yù)緊力及潤滑脂都會影響主軸的溫升。

3.1 預(yù)緊力的影響

a.預(yù)緊力過大的影響。預(yù)緊力過大會導(dǎo)致溫升過大，因此必須密切注意軸承軸向間隙，內(nèi)外隔套的尺寸及各部位配合狀態(tài)。

b.預(yù)緊力不足。預(yù)緊力不足會降低主軸剛性，在高轉(zhuǎn)速下，滾珠在離心力作用下，滾珠的軌道接觸點移至外圈軌道的底部，而產(chǎn)生不同的接觸角(如圖11所示)，在此種情況下，真正的滾動不可能發(fā)生，最后必然破壞潤滑油膜并產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，使軸承磨耗并損壞。

圖11 接觸角的變化

式中:dw為滾珠直徑;dm為軸承內(nèi)徑與外徑的平均值;f為摩擦系數(shù)，一般取0.06;z為滾珠數(shù)量;n為轉(zhuǎn)速;α為軸承接觸角;Famin為最低預(yù)緊力。

由于現(xiàn)代加工中心均向著高轉(zhuǎn)速趨勢發(fā)展，因此必須核算最高轉(zhuǎn)速時在一定外力作用下的殘余預(yù)緊力是否能夠避免軌道與滾動體擦傷。在外力作用下的殘余預(yù)緊力的計算可通過圖5、公式(1)及公式(2)推導(dǎo)求得。

3.2 潤滑脂

脂潤滑簡單、價廉，是目前最普遍的潤滑方式。如果選擇與使用得當(dāng)，溫升可以很低，同時還能允許高轉(zhuǎn)速。由于潤滑脂需定期補充，所以轉(zhuǎn)速及在某轉(zhuǎn)速下可連續(xù)運轉(zhuǎn)的期限都受到了限制，但很多機(jī)床盡管設(shè)計轉(zhuǎn)速范圍很寬，但極限轉(zhuǎn)速下的運轉(zhuǎn)時間不長，在這種情況下可以不必補充潤滑脂就能保證很長的服務(wù)壽命。

a.潤滑脂的種類。

主軸軸承最常用的潤滑脂是鋰基潤滑脂和復(fù)

避免滑動的最小預(yù)緊力可通過下面的公式求得:合鈣基潤滑脂，這兩類的潤滑脂工作溫度范圍很寬，一般均超出-30℃ ～110℃范圍。

b.填充量。

高速運轉(zhuǎn)的主軸不可加入過多的潤滑脂，否則因為滾子的攪拌發(fā)熱而使主軸溫升升高，亦會延長跑合時間。如果加入量過少，雖然溫升及跑合時間可大大減少，但會影響主軸軸承的潤滑壽命。在無法定期添加潤滑脂的場合，加入量過少也是一種不負(fù)責(zé)的做法。對于角接觸球軸承，其正確的潤滑脂使用量應(yīng)視其最高轉(zhuǎn)速的高低取軸承滾道空間的12% ～30%。

c.跑合。

跑合是潤滑主軸不可缺少的程序。

跑合的目的之一是使軸承內(nèi)多余的潤滑脂擠到滾道之外，從而使軸承能在最少油量的潤滑條件下，得到最小的阻力與溫升，而那些被排擠在滾道之外的潤滑脂就形成一座補給站，使軸承隨時保持在最佳的潤滑狀態(tài)。

跑合的目的之二是檢驗主軸組裝配調(diào)整的質(zhì)量。如果經(jīng)長時間的跑合，主軸的溫升不能穩(wěn)定或者降低，則此主軸組在預(yù)緊力、配合狀態(tài)或潤滑脂方面必然存在問題，需重新裝配調(diào)整。

跑合的方式有多種，其跑合的時間也不同，但其目的是一致的。跑合時如果溫升過快，則軸承與軸承座之間的溫差必然拉大，如此也會增加軸承的預(yù)緊。所以為了不使軸承超載，跑合時最好有一套安全的監(jiān)視與自動停機(jī)系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

目前，還沒有技術(shù)資料介紹高精度角接觸球軸承主軸組的裝配與調(diào)整要領(lǐng)，如果僅僅按照設(shè)計圖進(jìn)行加工與裝配是很困難的。一方面，由于加工周期較長且零件加工精度要求很高，導(dǎo)致價值不菲的主軸組零件廢品率極高;另一方面，即便按圖示將合格的零組件裝配起來，其精度和性能也不能達(dá)到理想狀態(tài)。本文將零碎的理論進(jìn)行系統(tǒng)化整理，形成了能夠指導(dǎo)高精度角接觸球軸承主軸組裝配與調(diào)整的比較完整的理論，其理論指導(dǎo)的有效性已經(jīng)通過了生產(chǎn)實踐的檢驗。本文提出的有關(guān)理論和方法填補了這一領(lǐng)域技術(shù)資料的空白，對于其他類似主軸組的裝配制造具有一定的參考和指導(dǎo)價值。