動壓軸承在磨床主軸系統(tǒng)中的開發(fā)與運用研究

張強，陳錦麟，湯田，江灝源

（云南機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650203）

磨床的磨削精度和性能是整機各零部件優(yōu)化匹配的綜合結(jié)果，而主軸則是保證磨床加工精度和粗糙度的最關(guān)鍵功能部件，其作用和地位尤為重要。在磨床生產(chǎn)中運用較廣的主軸軸承類型主要有單油楔結(jié)構(gòu)動壓軸承和多瓦式調(diào)位多油楔向心動壓軸承，但其二者精度和性能越來越難以滿足磨床的總體發(fā)展趨勢需要，特別是難以滿足大型龍門平磨，導(dǎo)軌磨的精度和性能要求。因此，近年來先后開發(fā)了整體彈性變形動壓軸承和多瓦式調(diào)位動壓軸承，實踐證明，特別是新研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承設(shè)計結(jié)構(gòu)優(yōu)良，性能及經(jīng)濟效益好，使整機匹配優(yōu)化，提高了磨床的磨削精度和性能。

1 動壓軸承的基本原理

動壓軸承按潤滑劑不同分為液體動壓軸承和氣體動壓軸承，在磨床的生產(chǎn)中常用多油楔液體動壓軸承來支撐主軸。動壓軸承是靠主軸以足夠的角速度ω（軸頸線速度不小于6米/秒）旋轉(zhuǎn)，將一定黏度的潤滑劑帶入收斂的多油楔中，潤滑劑在收斂的楔形間隙中流動，由于油層間的剪切應(yīng)力作用，產(chǎn)生流體動力，使相對運動的兩表面被油膜隔離，形成純液體摩擦，同時承受載荷。動壓軸承具有結(jié)構(gòu)簡單、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、抗振阻尼好、噪聲小，應(yīng)用滑動軸承的主軸系統(tǒng)具有強度和剛度大，承載能力高和使用壽命長等特點，所以動壓軸承被廣泛應(yīng)用于磨床主軸設(shè)計中。

2 磨床主軸常用軸承的性能比較

由于磨床主軸在工作過程中是恒速旋轉(zhuǎn)，動載荷是基本恒定的中、輕載荷，但其對旋轉(zhuǎn)精度、徑向跳動及軸向竄動要求較高。表1是磨床主軸常用軸承的性能比較，通過對比和分析可得出動壓滑動軸承的使用成本價格適中，且其特點及性能已完全可以滿足磨床主軸的性能要求。因此，在設(shè)計結(jié)構(gòu)合理的情況下，運用動壓軸承來支撐磨床主軸可以較好地提升磨床性能，具有較高的性價比。

表1 常用軸承性能比較

3 動壓軸承在磨床主軸系統(tǒng)中的開發(fā)與應(yīng)用

目前國內(nèi)比較知名的磨床廠家有上海機床廠、云南磨床廠、杭州機床股份有限公司等幾家公司，這些廠家在生產(chǎn)平面磨床主軸時常用的動壓軸承有單油楔整體軸承、多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承（簡稱短三瓦軸承）和整體彈性變形軸承三種，用量較大，使用效果良好。但這三種軸承都存在不同方面缺陷問題，自身缺陷制約了這三種軸承在大型龍門平磨和導(dǎo)軌磨生產(chǎn)領(lǐng)域的進一步推廣及使用。為解決該問題，滿足大型磨床的性能需求，最新自主研發(fā)了多瓦式調(diào)位軸承，該軸承是目前國內(nèi)最先進的動壓軸承之一，性能優(yōu)越，目前已正式用于云南磨床廠實際生產(chǎn)龍門導(dǎo)軌磨床和高精密平面磨床之中，且使用效果很好，本文將重點介紹。下面對這四種磨床主軸常用動壓軸承的結(jié)構(gòu)及性能特點做分析介紹。

3.1 單油楔整體軸承

單油楔整體軸承如圖1所示，常運用于平面磨床（如MY7130、MY7132A、YM-7180等系列型號）的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)，其特點是結(jié)構(gòu)簡單，工作時在徑向力的作用下，主軸對于軸承孔產(chǎn)生一定偏移量而實現(xiàn)油楔和承載油膜。但其軸心軌跡不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)精度低，承載能力差，高速時有油膜震蕩現(xiàn)象，只適合低轉(zhuǎn)速應(yīng)用場合。

圖1 單油楔整體軸承

3.2 多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承（短三瓦軸承）

多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承如圖2所示，常運用于普通外圓磨床、萬能磨床、無心磨床的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)，其特點是軸瓦由三個球頭螺釘支承在24°30'位置上，包括0.75～0.8的長徑比，以上數(shù)值是通過雷諾方程嚴密計算而來。其優(yōu)點是可以在軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)自動調(diào)位，還可以在軸向平面自動調(diào)位，從而消除加工誤差和零件變形帶來的影響，其間隙可調(diào)到0.01～0.02mm，具有較高旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性好、承載能力強。缺點是球頭螺釘接觸剛性差、間隙調(diào)整會對旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性及承載能力造成影響。軸承使用ZQPb30銅鉛合金離心澆注，機體材料為低碳鋼15或20鋼，不易進行熱處理來提高與球頭接觸剛性，耐磨性和精度穩(wěn)定性差。

圖2 短三瓦軸承

3.3 整體彈性變形軸承

整體彈性變形軸承如圖3所示，常運用于高精密萬能外圓磨床（如上海機床廠MG1420系列）和龍門導(dǎo)軌磨床（如云南磨床廠MK2212，MK3012系列）的主軸系統(tǒng)生產(chǎn)。整體彈性變形軸承為園弧曲線油槽，經(jīng)設(shè)計及調(diào)整后造就了五油隙收斂型油楔結(jié)構(gòu)。徑向間隙是通過調(diào)節(jié)螺母使軸瓦軸向位移，通過軸承外徑1：12背錐配合，產(chǎn)生微量變形實現(xiàn)，形成復(fù)合型油楔，間隙可調(diào)到0.008mm，具有較高旋轉(zhuǎn)精度、油膜剛性、承載力高。其缺點一是有背錐配合要求，生產(chǎn)工藝難度大，加工精度要求較高，制造生產(chǎn)困難。二是長徑比小，因而能力不大。

圖3 整體彈性變形軸承

3.4 多瓦式調(diào)位軸承

最新研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承如圖4所示，該軸承已實際用于云南磨床廠生產(chǎn)MK2212、MK3012的龍門導(dǎo)軌磨床和MG7160高精密平面磨床，且使用效果很好。多瓦式調(diào)位軸承綜合了前三種動壓軸承的優(yōu)點，主要解決了以下三方面的問題：一是單油楔整體軸承的軸心軌跡不穩(wěn)定，旋轉(zhuǎn)精度低，高速時油膜震蕩問題。二是多瓦式調(diào)位多油楔向心軸承的球頭螺釘接觸剛性差，從而對主軸系統(tǒng)剛性和回轉(zhuǎn)精度造成影響的問題。三是整體彈性變形軸承的加工及裝配精度要求較高，制造較為復(fù)雜，長徑比小，因而能力不大的問題。多瓦式調(diào)位軸承具備特點如下。

圖4 多瓦式調(diào)位軸承

（1）采用圖4所示球頭螺釘支承的結(jié)構(gòu)，軸承不僅可以實現(xiàn)軸的旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)調(diào)位，還可以軸向平面自動調(diào)位，支承及軸承套淬火硬度可達HRC50，提高了主軸接觸剛性，耐磨性和精度穩(wěn)定性。

（2）采用碟型彈簧理論計算予緊，有效提高油膜剛性，解決了以往動壓軸承剛性不易檢測、評估的問題?，F(xiàn)在通過調(diào)整計算好碟型彈簧予緊，基本可以確定軸承剛性，其予緊力是切削力的20～30倍。

（3）軸承采用ZQPb30銅鉛合金材料，該材料具有塑性、順應(yīng)性、嵌藏性、跑合性、減摩性、耐磨性、耐腐蝕性、潤滑性能和熱學(xué)性質(zhì)（傳熱性及熱膨脹性），可有效保護造價高的主軸。

實踐證明，多瓦式調(diào)位軸承的結(jié)構(gòu)集中了多種動壓軸承的優(yōu)點，油膜剛性強、承載能力大，徑向間隙可達0.005mm，加工粗糙度Ra0.025μm，磨床精度等級達到了IT2級，性能可靠，磨削效率高，溫升在15°左右，不需加裝靜壓軸承所需的溫控裝置，成本大約是同類靜壓軸承價格的1/5左右，現(xiàn)已成功運用于磨床的實際生產(chǎn)中。

4 在磨床主軸系統(tǒng)中運用動壓軸承的性能對比

由于動壓軸承具有剛性好、精度保持性好、載荷能力強、功率損失小、經(jīng)濟性好等特點，所以大多數(shù)磨床廠家在生產(chǎn)磨床時都比較青睞使用動壓軸承。本文中介紹的4種動壓軸承在實際的磨床主軸生產(chǎn)中也得到實際運用，不同動壓軸承在磨床主軸系統(tǒng)中運用的性能對比如表2所示。將表2數(shù)據(jù)進行對比、分析得出，在磨床主軸系統(tǒng)中運用最新自主研發(fā)的多瓦式調(diào)位軸承可明顯提升主軸的性能、降低生產(chǎn)成本。

表2 主軸性能比較

5 結(jié)語

綜上所述，動壓軸承研發(fā)與運用是提高磨床主軸整體性能的關(guān)鍵所在，當(dāng)今國內(nèi)外的很多磨床生產(chǎn)企業(yè)都很注重動壓軸承的研發(fā)與運用，并將其廣泛應(yīng)用于磨床主軸的實際生產(chǎn)中。動壓軸承在磨床主軸中的運用大大提高了磨床的磨削精度，同時降低了生產(chǎn)成本，性價比高，更進一步滿足了磨床大型、精密、復(fù)合、高效的總體發(fā)展要求。