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      新聞動態

      超高速磨床高速電主軸用軸承

      發布時間:2020/6/29
        (1)滾動軸承數控磨床高速主軸的性能,在相當程度上取決于主軸軸承及其潤滑。滾動軸承由于具有剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強和結構相對簡單的特點,受到超高速磨床的青睞。從高速性的角度看,滾動軸承中角接觸球軸承最好,圓柱滾子軸承次之,圓錐滾子軸承最差。
        角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉又自轉,會產生離心力F。和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉速的增加,離心力F。和陀螺力矩吼也會急劇加大,使軸承產生很大的接觸應力,從而導致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。
        因此,要提高這種軸承的高速性能,就應想方設法抑制其Fo和Mo的增加。從角接觸球軸承Fo和Mo的計算公式得知,減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fo和Mo,所以現在高速主軸多使用接觸角為15度或20度的小球徑軸承。但是,球徑不能減小過多,基本上只能是標準系列球徑的70%,以免削弱軸承的剛度,更關鍵的還是摹在球的材料上尋求改進。
        與GCrl5軸承鋼相比,氮化硅(Si,N4)陶瓷的密度僅為GCrl5軸承鋼的41%,用氮化矽制作的球要輕得多,自然在高速回轉時所產生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時,氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍,而熱膨脹系數僅為軸承鋼的25%,這既可提高軸承的剛度和壽命,又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小,工作可靠,加之陶瓷耐高溫且不與金屬發生粘咬,顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進行高速回轉。實踐表明,陶瓷球角接觸球軸承與相應的鋼球角接觸球軸承相比速度能提高25%~35%,不過價格也要高一些。
        國外將內外圈為鋼、滾動體為陶瓷的軸承統稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發展:一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子,市場上出現了陶瓷圓柱混合軸承;二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼代替軸承鋼制作軸承的內外圈特別是內圈,由于不銹鋼的熱膨脹系數比軸承鋼小20%,自然在高速回轉時,因內圈熱膨脹所造成的接觸應力增大趨勢會受到抑制)。
        眾所周知,DN值是表達滾動軸承高速性能的速度因子(D是滾動軸承內、外圈的平均直徑,單位為mln;Ⅳ是軸承的轉速,單位為r/min)。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關,而且與軸承的潤滑方式關系密切。目前滾動軸承有脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑三種方式,其中油霧潤滑雖然效果不錯,但污染環境和危害工人健康,國外已很少采用。
        脂潤滑是最簡單和環保性最好的一種潤滑方式。由于脂在超高速運轉下容易變質,故其 DN值較低,軸承為鋼球時僅達80×104mm·r/min,為陶瓷球時可達110×104mm·r/min(FAG公司開發的新一代低溫軸承其DN值還可以在此基礎上增加10%左右)。現在高速主軸軸承用得最多的是油氣潤滑方式,它是定時、定量地供給軸承油.氣混合物,使軸承各部位獲得最佳的微量潤滑并把污染減至很小。
        采用油氣潤滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承,其DN值一般可分別達到140×10’mm·r/min和2 10×104mm·r/min,若采用比較特殊的油氣潤滑方式,陶瓷球角接觸球軸承的DN值可達250×104mm·r/min甚至更高一點。
        高速電主軸滾動軸承的配置形式有多種,但比較典型的是前、后軸承呈。“O"形布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承,一般要設置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動,使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。一般說來,角接觸球軸承需要在軸向有預加負荷時才能正常工作,預加負荷越大,軸承的剛度越高,但溫升也越大。比較簡單的辦法是,根據電主軸的轉速范圍和所要承受的負載,選定一個最佳的固定預加負荷值;更好的辦法則是,預加負荷能隨主軸轉速改變而調整,在高轉速時減小預加負荷,在低轉速時增加預加負荷。
        最近幾年,由于陶瓷圓柱混合軸承的面世和油氣潤滑的較普遍應用,圓柱滾子軸承的高速性能得到較大改進,所以現在已有相當數量的高速加工中心,其電主軸的后軸承采用了允許內、外圈相對移動量較大并能承受更大徑向負荷的圓柱滾子軸承。這樣就可在提高剛度的條件下,用比較簡單的結構達到主軸可自由向后膨脹的目的,瑞士Step.Tec公司生產的高速電主軸,其后軸承就是采用陶瓷圓柱混合軸承。
        (2)動靜壓軸承它用流體動力與流體靜力相結合的方法使主軸在油膜支撐中回轉,兼有動壓軸零和靜壓軸承的優點,剛度和精度高,阻尼大,壽命長,已用于Ingersoll主軸最高轉速為20000r/min的某些高速磨床上。然而,此種軸承在主軸軸頸表藤線速度超過50m/s時,油流也會由層流變為湍流,同樣會出現發熱嚴重和功率損失的問題,其進一步高速化仍是一個正在研究的課題,并一直受到業界人士的重視。湖南大學也研制了動靜壓軸承高速外圓磨削電主軸,如圖22所示,最高轉速8000r/min(功率18kW),旋轉精度1.0,主軸直徑70mm,6000r/min運轉最高溫升15度3(室溫25度),已成功地在高速磨床上應用多年,具有軸承剛性好(達340N/l山m)、回轉精度高(徑向、軸向跳動均在0j002mm以內).、使用壽命長(可連續運行幾年而免維護)等優點。靜動壓軸承供油系統配置了油液恒溫控制油箱,以保證主軸軸承處的溫升在最高速時不大于20aC,另外,在后置調頻電動機處設計了強風排熱裝置,保證主軸系統長時間運轉的工作穩定性。
        
        圖22動靜壓電主軸不意圖
        目前國外超高速磨床較多采用的是陶瓷球軸承、磁懸浮軸承及液體靜壓軸承。陶瓷球軸承制造難度大、成本高,與鋼配套時熱膨脹系數小,對拉伸應力和缺口應力敏感;磁懸浮軸承造價昂貴,承載能力相對較低,常用于高速輕切削機床主軸系統;靜壓軸承則必須配有較大功率的供油系統,且噪聲大。而液體動靜壓軸承則擁有動壓軸承和靜壓軸承的優點,在全速度范圍內能保持很高的承載能力、剛度、旋轉精度、抗振性;同時在主軸系統中采用冷卻措施后,主軸軸承系統的溫升和熱變形將會得到有效的控制,因而將在超高速磨床上得到廣泛的應用。傳統的軸承工程設計更多的是依賴經驗和近似計算,通過試驗對比尋求較優方案而不是最優方案。本研究基于試驗和所建立的軸承穩態性能數學模型,實現了實用化高速液體動靜壓軸承優化設計。
      1)軸承結構形式 圖7-23給出了機床高速主軸采用的五腔液體動靜壓軸承幾何示意圖。小腔結構可提高軸承剛性,外加小孔節流可提高軸承的靜壓承載能力,且節流器對液體的阻力與粘度無關,因而油液溫升對節流器液阻無影響,故小孔節流器適合用于高速精密機床主軸中。另外,軸承采用低粘度流體做工作介質,在滿足油膜剛度的前提下,克服了大封油面引起大摩擦功耗這一問題,從而降低了油膜溫升。不設置軸向回油槽,軸承流量小,且封油面上有顯著的動壓效應。采用五腔結構,承載能力及油膜剛度的方向性小,油膜均化作用強,主軸運轉精度也隨之提高。在高速條件下,軸承封油面粗糙可能導致油膜壓力和溫度的升高,故應降低表面粗糙度。
        
        圖23 高速動靜壓軸承幾何示意圖
        軸承在純靜壓工作時,在整個油腔內腔壓可認為是 均勻的;而在油腔的液流方向一側邊界上由于流體的慣性而出現了壓力下降。在軸承動靜壓工作時,由于粘性剪切效應,在節流口供油線的順流區域的臨近油腔邊界處會出現壓力上升現象。
        高速動靜壓軸承有限元數值計算程序框圖如圖24所示。
        2)優化設計。高速動靜壓軸承結構較復雜,且參數多。其優化設計可分為腔型結構優化和結構參數優化設計。由文獻知,高速軸承油腔形狀以方形為好。矩形油腔形狀與方形類似,也值得研究。提高供油壓力可以提高軸承的承載能力,同時也不會增加軸承的溫升(當然液壓系統的溫升會增大)。目前,普通齒輪油泵最大供油壓力為2.5MPa,因此要達到有關文獻中所述7MPa的供油壓力,必須對供油系統作大的改進,供油壓力選擇也需要作相應調整。軸承潤滑劑可采用3號高速機油,其粘度較小,高速下軸承溫升較低。在更高的轉速下,可采用粘度更小的水做潤滑劑。在影響軸承性能的眾多參數中,以半徑間隙、小孔節流器孔徑、軸承寬徑比、腔面積與軸承總內表面積之比、軸承相對軸向封油面長度和相對周向封油面長度等參數對設計目標函數的影響最顯著,可將其作為可選擇的設計變量。
        高速主軸軸承系統的設計,關鍵是降低發熱和溫升,而協調軸承承載能力與總功率損失(尤其是軸承摩擦功耗)之間的關系是優化設計的核心,通常是以單位承載量下的總功率損失最小作為優化設計的目標函數。將超高速主軸軸承系統的一些次要的性能及設計變量取值作為邊界條件處理,同時為加快優化計算,可將設計變量、目標函數和約束條件進行規格化處理。
        針對磨削速度達150m/s的超高速磨削主軸系統的‘ 圖24數值計算程序框圖動靜壓混合軸承進行了優化設計。優化設計計算表明,矩形油腔軸承性能要明顯優于方形油腔軸承。優化結果表明,軸承具有較高的承載能力、較大的潤滑油流量、較低的溫升、較低的功耗,其他參數也較好,這表明優化設計是成功的。比較優化設計與初設計,軸承的穩態性能(即優化設計的目標函數)從0.1327下降到0.1174,得到了明顯改善。本優化設計的結果將應用于超高速磨頭軸承設計中。
        研究表明,軸承中最大壓力出現在最小油膜厚度處的封油面上;溫升是由軸承內流體的湍流效應和軸承表面粗糙度效應共同作用的結果。研究還表明,軸承的圓周方向的收斂區內,溫升不斷增加,在軸承最小油膜厚度的下游位置,溫升到達最大值,并在這段范圍內保持這個最大值。在軸承的軸向方向,在端泄處(即軸承兩端)的溫升最大。在軸承最大溫升區域,潤滑劑的粘度和密度有一定下降。
        隨著軸承半徑間隙的增大,軸承流量增大而溫升快速下降,摩擦力矩隨著半徑間隙的增大而稍有減小。但在小半徑間隙處,因為軸承溫升最大而使得潤滑劑的粘度降低,因此此處摩擦力矩小。在高速大偏心率條件下,軸承摩擦力矩增大、溫升升高,盡管增大軸承半徑間隙能降低溫升,但同時軸承潤滑劑流量也增大而導致軸承供油系統中功耗增大,而且半徑間隙加大會導致軸承剛度下降,因此要綜合考慮。主軸高速旋轉時會產生大離心力,由于離心力的影響,軸會膨脹從而導致間隙減小,而且軸承中高韻溫升也會導致軸承變形而影響軸承間隙,故應考慮熱彈性。
        研究表明,軸承在絕熱和等溫條件下性能計算值之所以相近,是由于軸承的部分性能由其小孔節流器決定。因此,潤滑劑對軸承性能的影響不是很大,但是軸承中潤滑劑的溫度升、高不但會較嚴重地影響潤滑劑的粘度,而且會影響軸承間隙;從而對其性能產生明顯影響。因此,動靜壓軸承的熱效應決不能忽視。另外,過高的溫升不僅會破壞潤滑劑性質,而且會破壞軸承材料。因為高的溫度梯度會使軸承的材料產生裂紋,而軸承中熱效應不均勻會使軸承不均勻變形甚至發生抱軸事故。因此,在設計中必須注意,軸承材料必須與其配合件(如軸、箱體)材料在熱效應引起的變形方面均勻一致,同時軸承材料熱變形應盡量小。在設計計算中,要把軸承軸作為一個系統分析,同時考慮其熱效應及熱效應引起的彈性變形,進行彈性分析。此外,高速動靜壓軸承的主軸單元在制造、安裝、裝配、調試及調整中,也要保證高精度。
        (3)靜壓軸承空氣靜壓軸承由于岡Ij度特別是承載能力很差,盡管回轉精度很高和摩擦損失較小,也只能在超精密高速磨削等磨削負荷很小的場合使用b油靜壓軸承在高速回轉時,油囊內產生湍流,液體摩擦力也隨轉速增高而增大,會造成大的功率損失和引起嚴重的發熱,故高速回轉的切削機床仍很少采用(IBAG公司已有一種最高轉速為32000r/min油靜壓軸承電主軸供應)。此外,FISCHER公司正研制一種以水為介質,名為Hydro-F的靜壓軸承電主軸,最高轉速為36000r/min(功率為67kW)。
        靜壓軸承的設計方法與動靜壓軸承基本類似。
        (4)磁浮軸承它是利用電磁力將主軸懸浮在空氣中的一種高性能軸承,而且在運轉過程中用靈敏的傳感器不斷檢測主軸位置,并反饋給控制器實時調整電磁力,使與轉子(軸承轉子和電動機轉子)結合在一起的主軸始終保持在正確位置上。由于采用電子反饋系統進行自動調節,其剛度和阻尼可控,主軸能自動動平衡,其回轉精度可高達0.1 Ixm。磁浮軸承無機械接觸,壽命很長,它的高速性能僅受轉子硅鋼片離心力的制約,轉子最高線速度可達200m/s。顯而易見,磁浮軸承很適合高速高精度磨削機床使用,但由于控鎊!}復雜,成本’‘很高,目前實際在機床上使用的還不多。德國GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮軸承電主軸出售(IBAG生產最高轉速為70000r/min和40000f/rain的兩種型號)。
        磁浮軸承是利用電磁力將主軸無機械接觸、無潤滑地懸浮起來的一種新型智能化軸承。磁浮軸承主軸單元的轉子和定子之間的單邊間隙為0.3~1.0mm,未開動以前,主軸由左右兩端的“輔助軸承"支承,其間隙小于磁浮軸承的間隙,用以防止磁浮軸承在電磁系統失靈時發生故障。工作時,轉子的位置用高靈敏度的傳感器不斷進行檢測,其信號傳給PID控制器,以10000/.欠/s左右的運算速度,對數據進行分析和處理,算出用于校正轉子位置所需的電流值,經功率放大后,輸入定子電磁鐵,改變電磁力,從而始終傈持轉子(主軸)的正確位置。
        由于元機械接觸,磁浮軸承不存在機械摩擦與磨損,壽命很長。轉子線速度可高達瑚n1/s(極限速度只受硅鋼片離心力強度的限制).,無需潤滑和密封,結構大為簡化。能耗很小(僅為滾動軸承的1/50),無振動、無噪聲、溫升小、熱變形小。可在真空或有腐蝕介質的環境中工作,工作可靠,幾乎不用維修。
        由于磁浮軸承是用電磁力進行反饋控制的智能型軸承,轉子位置能夠自律,主軸剛度和阻尼可調。因此,當由于負載變化使主軸軸線偏移時,磁浮軸承能迅速克服偏移面回到正確位置,實現實時診斷和在線監控,使主軸始終繞慣性軸回轉,消除了振動,并可使主軸平穩地越過各階臨界轉速,實現超高速運轉,回轉精度高達0.2mm。
        裝有磁浮軸承的主軸可以適應控制,通過監測定子線圈的電流,靈敏地控制切削力,通過檢測切削力微小變化控制機械運動,以提高加工質量。因此,磁浮軸承特別適用于高速、超高速加工。磨床主軸有超高速磨削主軸頭,并已標準化。
      磨床主軸設計中要求限定5個自由度,僅留一個回轉自由度。因此,要進行5自由度控崩的磨床主軸磁浮軸承結構(圖7-25)設計。
        磁浮軸承支承的高速磨床主軸系統設計可綜合為以下四個步驟。
        1)徑向和軸向磁浮軸承的性能結構等參數設計。
        2)磁浮軸承主軸系統控制器參數的穩定域計算,從而得到的是各向同性的系統參數.最終系統需通過調試達到各向異性。
        3)高速磁浮軸承主軸系統的動力學計算,以了解系統在高速運行時的穩定性。
        4)主軸系統的陀螺效應分析計算,以確定是否需要進行陀螺效應控制補償。
        按照上述步驟,可以對超高速磁浮軸承外圓磨床主軸單元系統進行設計,經試驗證明是成功的。當然作更深入的研究是非常必要的。
        磁浮軸承轉子系統的設計是一個復雜的過程,其中主要的可分為:以軸承幾何與電氣參數為主的系統控制器的參數設計、以轉子結構和軸承動特性系數為主的動力學性能設計以及特定條件下的陀螺效應解耦設計。除此之外,一個完整的磁浮軸承轉子系統的設計還包括必要的機械設計、磁路與電磁場設計以及電子電路的設計等。一個穩定運行的磁浮軸承轉子系統除了精確地設計外,系統的調試環節也是至關緊要的,有時甚至對成功與否起到決定性的作用。
        目前,這種磁浮軸承已應用于高速大功率電主軸中,采用CBN砂輪,進行高效深磨加工,在實驗室中取得了成功,它可以將鑄鍛毛坯直接加工出成品,集粗精加工于一身,‘同普通磨削相比,加工工時可以縮短98%,使磨削實現了優質與高效的結合。
        磁浮軸承支承的高速主軸系統,具有高速、高剛度、高精度和可控等無可比擬的優點。應用該技術的超高速磨床,雖然初期投資成本高,但其優越的使用性能使其綜合效益高。期望國內有關單位積極開拓,使磁浮軸承主軸單元技術盡早得到應用。
      白马王子