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，高速主軸單元的類型主要有電主軸、氣動主軸等，與電主軸相比，精密軸承具有結(jié)構(gòu)簡單，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。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)最大的動剛度和最小的材料和動力消耗。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，最后對分析結(jié)果進(jìn)行評定，若不合格，則對尺寸加以修改，然后再建模、求解、評定，如此反復(fù)直到合格為止。這個過程耗時費(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)分析過程，快速分析計(jì)算設(shè)計(jì)變量對主軸性能的影響，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)類型有很多種，按照所用軸承種類劃分，常見的結(jié)構(gòu)有半運(yùn)動式圓柱型軸承結(jié)構(gòu)軸系、錐形滑動軸承軸系、V型弧滑動軸承軸系和滾動摩擦軸承軸系等。這些不同的結(jié)構(gòu)類型有不同的特點(diǎn)，適用于不同的應(yīng)用場合。對于高精度精密主軸系統(tǒng)來說，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，同時參考過去在精密主軸系統(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盈套。采用精密螺母方式安裝相對簡單，但對主軸螺紋部分加工精度要求高，因螺紋聯(lián)結(jié)本身是一種動不平衡因素，這將影響主軸動平衡性能。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。對于更高轉(zhuǎn)速的主軸，其動平衡精度要求極高。為保證動平衡精度，軸承軸向限位元件通常選用階梯過盈套。這樣不需在主軸上加工螺紋，容易保證過盈套的定位端面與軸心線垂直，主軸動平衡性好。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盈套的形式，這樣有利于提高主軸動平衡性能。階梯過盈套內(nèi)徑軸向分為二段，內(nèi)徑分別為D1和D2（二者相差較?。c之相配合的軸外徑也相應(yīng)分為d1和d2二段，這二段過盈都為過盈配合，但過盈量略有不同。安裝時須用熱裝方式完成安裝，拆卸時，在過盈套注軸孔處接一高壓油泵將階梯過盈套漲開即可將階梯過盈套取下來。

3.精密主軸系統(tǒng)電機(jī)的選型

參考國內(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)動方式，這種結(jié)構(gòu)省去了傳動機(jī)構(gòu)，主軸電機(jī)通過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)型號即可。對于精密主軸系統(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?？紤]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，光柵信號在經(jīng)過25倍頻處理后，再經(jīng)過4倍頻的光柵信號辨向倍頻處理，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)緊力可通過計(jì)算確定，其計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)可以根據(jù)軸向載荷來確定或者根據(jù)轉(zhuǎn)速與溫升來確定，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。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，確定彈簧力的大小、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、裝配都較復(fù)雜。對成組彈簧的制造要求高，在裝配前一般應(yīng)使用專門的彈簧測力裝置對成組彈簧剛度與長度的一致性進(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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