高速主軸軸承預(yù)緊可控技術(shù)探討

沈陽機床（集團）有限責(zé)任公司 徐吉存

軸承預(yù)緊可控技術(shù)是一種可以實時調(diào)節(jié)控制軸承預(yù)緊力的技術(shù)，能夠在不同主軸轉(zhuǎn)速下達到最佳預(yù)緊力，從而提高主軸性能、加工品質(zhì)，是機床高速化發(fā)展中的一項關(guān)鍵技術(shù)。本文論述了此項技術(shù)的必要性，介紹了目前的研究現(xiàn)狀，并分析探討了此項技術(shù)研究的難點。

精密高速機床通常以滾動軸承作為支撐，為保證主軸結(jié)構(gòu)具有優(yōu)越的旋轉(zhuǎn)精度、剛度、熱特性等靜動態(tài)特性，通過采取對軸承內(nèi)外圈預(yù)緊的方式來解決。常規(guī)的預(yù)緊方式主要有定位和定壓兩種方式。定位預(yù)緊通過配磨隔套獲得合適的預(yù)緊量實現(xiàn)預(yù)緊，是一種剛性定位預(yù)緊方式，具有較高的剛性。由于運轉(zhuǎn)過程中軸承相對位置不能改變，在高速運轉(zhuǎn)情況下隨著溫度急劇上升和離心力的作用下，軸承所受到的預(yù)緊力會急劇增加，進而導(dǎo)致軸承的摩擦力矩增大，軸承工作溫度急劇增加，這是軸承在高速情況下破壞的主要原因；定壓預(yù)緊是利用液壓、彈簧等柔性受力系統(tǒng)來實現(xiàn)軸承預(yù)緊，是一種柔性預(yù)緊方式。在高速工況下，液壓或彈簧柔性系統(tǒng)能夠吸收高溫和離心力造成的軸承軸向位移偏移量，從而保持預(yù)緊力有適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，減少因軸承轉(zhuǎn)速提高而產(chǎn)生的熱量。但在低速工況下主軸剛性會降低，從而降低機床加工精度。

高速加工中心和具有柔性制造系統(tǒng)的自動機床都具有加工范圍寬、主軸轉(zhuǎn)速范圍變化大的特點。在低速時要求主軸具有較大的剛性，以承受較大的外部各項載荷，應(yīng)施加較大預(yù)緊力；在高速時主軸應(yīng)具有良好的熱特性以減少發(fā)熱，故應(yīng)施加較小的預(yù)緊力。為了提高軸承使用壽命和機床加工精度，必須協(xié)調(diào)好低速工況下預(yù)緊力偏小和高速工況下預(yù)緊力偏大的矛盾。因此，研究一種能同時滿足低速大轉(zhuǎn)矩和高速大功率的軸承預(yù)緊實時調(diào)控技術(shù)是大勢所趨。

一、軸承預(yù)緊可控技術(shù)研究現(xiàn)狀

對于最佳預(yù)緊力大小的理論分析，由于機床主軸軸承預(yù)緊力與軸承的轉(zhuǎn)速、溫升、負荷、主軸變形、軸承壽命、潤滑條件等多種因素相關(guān)，建立相關(guān)多因素的處理模擬模型相當(dāng)復(fù)雜。目前大多研究都是集中在考慮某一兩個主要因素，難以得到符合實際加工工況的比較滿意的結(jié)果。因此，要確定軸承的最佳預(yù)緊力，就得在理論分析的基礎(chǔ)上進行大量的實驗。而預(yù)緊力控制器的研究則取得了一定的進展。

預(yù)緊力控制器的研究國外進行的較早，主要有兩種結(jié)構(gòu)：利用液壓系統(tǒng)進行預(yù)緊切換的控制器，代表有日本的NTN公司、德國的GMN公司，并已經(jīng)商品化；利用壓電材料在施加高電壓下產(chǎn)生不同位移進行預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，日本慶應(yīng)義塾大學(xué)在實驗室內(nèi)已經(jīng)研制出來。國內(nèi)主要是一些高校在進行軸承預(yù)緊可控研究，研究重點是以液壓系統(tǒng)為基礎(chǔ)的實時在線調(diào)控系統(tǒng)。以下分別介紹分析幾種典型控制器結(jié)構(gòu)。

1 .軸承預(yù)緊三級切換單元

NTN公司生產(chǎn)的主軸預(yù)緊切換單元是利用三個不同的油腔，推動作用在軸承上的隔套運動不同的位移，分別在低速區(qū)域、中速區(qū)域、高速區(qū)域施加高、中、低三種大小的預(yù)緊力（見圖1）。這種結(jié)構(gòu)簡單安全，對主軸結(jié)構(gòu)改動也不大，液壓系統(tǒng)也具有穩(wěn)定的可靠性。但它僅僅是實現(xiàn)了低速或高速比較極端情況下的預(yù)緊力調(diào)整，而非整個轉(zhuǎn)速區(qū)域內(nèi)都能調(diào)整變化。同時沒有預(yù)緊力測量反饋系統(tǒng)，因而不能實時在線監(jiān)測調(diào)整。

圖1 軸承預(yù)緊三級切換單元

2.液壓、彈簧動作控制器

東南大學(xué)的蔣書運和西安合升動力科技有限公司合作開發(fā)出液壓、彈簧預(yù)緊動作控制器，如圖2所示。根據(jù)主軸轉(zhuǎn)速實際大小，確定液壓動作器動作大小并協(xié)同彈簧實現(xiàn)預(yù)緊力智能控制。該動作控制器的主要工作原理就是在高速和低速工況下分別由彈簧和液壓油缸來實現(xiàn)主軸軸承預(yù)緊，從而實現(xiàn)預(yù)緊力值和主軸工作工況實時自動匹配。這種技術(shù)是較為理想的軸承預(yù)緊可控方式，只是缺乏足夠的理論支持，需要進行大量的實驗去完善液壓壓力大小與最佳預(yù)緊力之間的對應(yīng)關(guān)系。

圖2 預(yù)緊力可控智能化高速加工電主軸

3.壓電材料動作控制器

北京機械學(xué)院的楊慶東研究了一種利用金屬材料的熱特性調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力的方法和裝置（見圖3）。利用兩種熱膨脹率相差大的材料制作成雙層隔套，安裝在主軸的兩個軸承之間或軸承與預(yù)緊機構(gòu)之間。這種隔套尺寸的確定需要根據(jù)主軸發(fā)熱和溫升之間的關(guān)系、主軸前后軸承在不同轉(zhuǎn)速與不同預(yù)緊力狀態(tài)下摩擦發(fā)熱關(guān)系、軸承軸向位移與預(yù)緊力的大小關(guān)系而定。因此需要建立相應(yīng)的計算模型，并優(yōu)化出比較準(zhǔn)確的設(shè)計參數(shù)。

圖3 利用金屬材料熱特性調(diào)節(jié)預(yù)緊力裝置

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是幾乎可以不改變機床及主軸的結(jié)構(gòu)，利用金屬熱特性不同的方法簡單實用，從原理上較為容易進入實用。但在應(yīng)用之前，需要進行大量的仿真分析，如確定主軸發(fā)熱和溫升的計算關(guān)系、各軸承在不同預(yù)緊力及轉(zhuǎn)速下的功率損耗和溫度分布、以及潤滑條件的影響，進而確定各種工況下金屬材料的伸長長度，最終確定金屬套筒的長度。由于這個計算分析過程影響因素多，分析邊界條件受人為因素影響大，所以最終的結(jié)果可能會偏離實際值。另外，在極限工況下金屬材料的可靠性值得懷疑，而這種裝置沒有可靠的保護措施。

4 .液性塑料動作控制器

浙江大學(xué)的陳宗農(nóng)研制出一種利用液性塑料動作的控制器，結(jié)構(gòu)如圖4所示。該結(jié)構(gòu)為中空密閉的圓環(huán)構(gòu)件，密閉空腔中充滿壓力傳遞介質(zhì)液性塑料。壓力供給系統(tǒng)通過圓柱銷擠壓或放松密閉腔內(nèi)的液性塑料，使得圓環(huán)端面的金屬彈性薄膜向外鼓脹或向內(nèi)收縮，產(chǎn)生可變的預(yù)緊力，達到控制預(yù)緊力的目的。此圓環(huán)構(gòu)件外徑φD和滾動軸承外徑相同，內(nèi)徑比軸承外圈內(nèi)徑小，寬度無要求。圓環(huán)的兩個端面通過焊接固定有厚度0.05～0.4mm的金屬彈性薄膜2。密閉空腔3中充滿壓力傳遞介質(zhì)4。將此圓環(huán)構(gòu)件裝于軸承對之間，當(dāng)介質(zhì)的壓力變化時，彈性薄膜向外鼓脹或向內(nèi)收縮，對軸承外圈施以不同的軸向力，以達到控制軸承預(yù)緊力目的。

圖4 液性塑料作動控制器結(jié)構(gòu)

這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是把軸承中間隔套改造為一個獨立的控制元件，對主軸整體結(jié)構(gòu)改動小，應(yīng)用方便。但對于液性介質(zhì)，存在密封和高壓狀態(tài)下長期穩(wěn)定工作問題。同時主軸內(nèi)部溫度較高，液性介質(zhì)應(yīng)具有良好的粘度和韌性、良好的不可壓縮性及流動性、化學(xué)穩(wěn)定性等。上述結(jié)構(gòu)中采用的液性塑料為聚氟乙烯、鄰苯二甲酸二丁酯、硬脂酸鈣及某種穩(wěn)定劑按一定比例配置而成，存在著長時間高溫工作下化學(xué)穩(wěn)定性問題。

二、軸承預(yù)緊可控技術(shù)主要的技術(shù)難點

（1）理論模型建立困難。當(dāng)主軸以較低轉(zhuǎn)速進行大扭矩重切削加工時，軸承轉(zhuǎn)速低，發(fā)熱量小，但承受較大的力，需要能提供較高的剛度，因此施加的預(yù)緊力就相應(yīng)要大。此時可以把主軸的剛度或軸承的壽命作為預(yù)緊力優(yōu)化分析的目標(biāo)。當(dāng)主軸在高速大功率銑削加工時，軸承轉(zhuǎn)速較高，發(fā)熱量大，此時就需要施加較小的預(yù)緊力。但預(yù)緊力也不能太小，要防止軸承中的滾珠陀螺滑動降低效率。由以上分析可以看出，在主軸低速段和高速段，軸承預(yù)緊力優(yōu)化分析目標(biāo)是不一樣的，而要實現(xiàn)整個工作范圍內(nèi)動力學(xué)品質(zhì)全局兼優(yōu)的預(yù)緊力優(yōu)化分析理論尚未見報道。目前進行的理論分析，也大多是以以上兩個區(qū)域單獨優(yōu)化分析，在中間過渡區(qū)域人為設(shè)置參數(shù)調(diào)整。

（2）軸承溫升計算復(fù)雜難以準(zhǔn)確。軸承溫升影響因素比較多，如自身潤滑方式、潤滑狀況、軸承組合、電主軸發(fā)熱量、主軸冷卻狀況、主軸端部與周圍空氣的傳熱、主軸靜止表面與周圍空氣的傳熱。在確定主軸系統(tǒng)散熱邊界條件時，要判定內(nèi)部氣流流動是層流還是紊流計算換熱系數(shù)。其中許多都是用到經(jīng)驗公式，要準(zhǔn)確計算出軸承溫升情況比較困難，大都選擇用ANSYS在給定的邊界條件下進行仿真分析得出。

（3）主軸結(jié)構(gòu)改動大。在采用液壓預(yù)緊的情況下，現(xiàn)有機床產(chǎn)品中的主軸結(jié)構(gòu)內(nèi)部空間恐怕不夠，需要對主軸加大加長，這就限制了軸承預(yù)緊可控技術(shù)的直接應(yīng)用。完全創(chuàng)新難度高，除了液壓驅(qū)動控制預(yù)緊力大小和壓電材料外，還沒有其它合適的方法。比較而言，采用液壓結(jié)構(gòu)可靠性高，容易實施。因此，如何在對主軸結(jié)構(gòu)改動不大的前提下對目前已經(jīng)成熟的機床產(chǎn)品進行軸承預(yù)緊結(jié)構(gòu)設(shè)計就成了一個難點。 □