数控机床主轴单元陶瓷球轴承的实验研究 上海巨鹏轴承有限公司2023-05-15 09:03:08
球轴承主轴转速电主轴主轴电机预紧力:通过理论分析和实验研究，对比分析了两种类型主轴单元的温升和振动特性，为陶瓷球轴承的实际应用提供了一定的依据。在B型电主轴中，电主轴的实际速度比使用钢轴承时的极限速度提高了30 ~ 50左右。通过理论分析和实验研究，对比分析了两种类型主轴单元的温升和振动特性，为陶瓷球轴承的实际应用提供了一定的依据。近年来，国外生产的许多数控机床或加工中心的主轴系统都采用了陶瓷轴承和电机主轴结构。国内在这一领域的研究还处于起步阶段。数控机床主轴单元和高速主轴轴承的超高速切削是一项以高质量、高效率为特征的先进制造技术，可推动高速切削机构、高速主轴单元、高速加减速直线进给电机、高性能控制系统等一系列相关单元技术的发展。高速主轴单元是实现高速高质量加工最关键的技术领域之一，也是高速加工机床最关键的部件。现代高速机床的大多数主轴是集成有内置主轴电机的主轴单元，即所谓的电主轴。电主轴是机床高速主轴单元的理想结构。高速主轴单元的核心是高速精密轴承，其性能将直接影响主轴单元的工作性能。随着转速的增加，轴承的温度
上升，振动和噪音增加，寿命降低。因此，提高主轴转速的前提是开发性能优良的高速主轴轴承。目前，在高速主轴单元中，主轴支撑主要采用三种形式:磁力轴承、液体静压轴承和陶瓷球轴承。磁力轴承高速性能好，精度高，易于实现诊断和在线监测。但实践表明，由于电磁测控系统的复杂性，这种轴承并没有得到广泛应用。液体静压轴承结合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点。但这种轴承必须根据具体机床专门设计生产，标准化程度低，维修困难。目前，应用最广泛的高速主轴轴承是混合陶瓷球轴承。即滚动体采用热压或热等静压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，价格低，对机床结构改动小，维修方便，特别适用于高速运转的场合。其k值已超过2.7×106。为了增加轴承的使用寿命，可以增加滚道的耐磨性，可以对滚道进行涂层或其他表面处理。
2实验研究测试条件用于该测试的陶瓷滚珠轴承的参数如表1所示。所用陶瓷球的材质为HIPSN热等静压Si3N4，精度等级为G3。在装配过程中，根据规定值仔细选择球和套圈。轴承采用小珠密珠结构，使用带外圈的薄保持架。测试中使用的钢轴承与陶瓷球轴承具有相同的结。
结构参数。表1试验用陶瓷球轴承的结构参数、型号及外形尺寸mm球径mm球数原接触角陶瓷球材料保持架材料圈材料B7007CY 35×62×14 7.144 16 15 HIPSN树脂GCr15本次试验采用热电偶测温法测量主轴前轴承外圈的温升，用PDB测量了高速电主轴前后端的振动频谱。分析了两种轴承对电主轴运行精度的影响。实验中使用的电主轴有A型和b型两种，结构示意图如图1所示，轴承安装形式为DBB。表2显示了两种电主轴的主要性能参数。表2电主轴型号主要性能参数极限转速ru002Fmin主轴直径mm输出功率kW润滑方式A型30000 35 4.5油雾B型24000 35 4.5润滑脂试验结果分析主轴轴承的高速性能轴承，在工作时，轴承滚子与套圈之间会产生接触应力，接触表面会形成接触应力椭圆。根据Herts接触理论，轴承滚子与套圈接触椭圆的长短半径为a = Ma[3 Q1-C2+1-S2]1 u002 f 32 sraec es1b = MB[3 Q1-C2+1-S2]1 u002 f 32 sraec。
Es 2公式中:ma和mb为与椭圆偏心率有关的系数；d是球和环的弹性逼近；q是作用在滚子上的总外部载荷；q0是球和环的接触应力；e是材料的弹性模量；c和S为下标，分别指陶瓷轴承和钢球轴承的相关参数:Sr为主曲率和。代入陶瓷材料的性能参数，可以得到q0c=1.112q0s 3 dc=0.896ds 4。从公式3和公式4可以看出，陶瓷球轴承中陶瓷球与钢圈的接触应力在低速时是钢轴承的1.112倍，变形是钢轴承的89.6倍。在高速条件下，轴承不仅受到外力作用，还受到轴承内部滚动体的离心力作用。离心力将增加接触面积、接触应力和弹性变形。由于滚珠的密度不同，陶瓷球轴承和钢球轴承中的接触应力也会不同。在陶瓷球轴承中，用陶瓷球代替钢球。陶瓷材料的密度和热膨胀系数比轴承钢小，弹性模量大。在高速运转的情况下，来自轴承内部的载荷离心力和陀螺力矩比钢制轴承小，因此可以提高陶瓷球轴承的极限转速，例如Si3N4球轴承的极限转速比钢制轴承提高60%左右。图2和图3是根据两种高速电主轴的实验数据绘制的温升特性曲线。从图中可以看出，A型主轴的转速由2000改为2000。
当ru002Fmin升至极限转速30,000 r u002Fmin时，钢轴承温度从4℃升至35℃；当主轴转速从2000转u002F分升至40000转u002F分时，陶瓷球轴承的温度从35℃升至43℃。为了防止陶瓷球轴承因温度过高而损坏，停止了提高转速的实验。实验表明，在相同的温升水平下，即温升为35℃时，陶瓷球轴承电主轴的转速比钢轴承主轴高30左右。在B型电主轴中，电主轴的实际速度比使用钢轴承时的极限速度提高了30 ~ 50左右。从以上试验结果和理论分析可以看出，陶瓷球轴承比钢制轴承更适合高速运转。从图2可以看出，A型主轴转速小于15000ru002Fmin时，主轴轴承温升基本相同。当转速大于15000ru002Fmin时，陶瓷球轴承的温升明显低于钢制轴承。钢制轴承的温升速度比陶瓷球轴承快。从图3可以看出，B型电主轴轴承温升的总体变化趋势与A型电主轴相似。但在主轴转速较低时，陶瓷球轴承的温升略高于钢轴承，温升速率小于钢轴承。当转速为5u003E17000ru002Fmin时，可显示陶瓷球轴承的低温升特性。陶瓷球轴承在脂润滑下的运转速度与钢轴承在油雾润滑下的运转速度相当。实验中发现B型陶瓷球轴承达到发热。
平衡所需的温升和时间与A型梁滚珠轴承达到热平衡时的温升和时间相似。图4显示了不同供油条件下主轴轴承的温升曲线。可以看出，在供油突然中断的情况下，陶瓷球轴承所需的供油量低于钢轴承，陶瓷球轴承可以维持正常运转一段时间，而钢轴承会在短时间内烧坏。从上面可以看出，陶瓷球轴承在高速或润滑状态下的温升比钢轴承小，陶瓷球轴承的使用寿命比钢轴承长。分析表明:①HIPSN的密度仅为轴承钢的40%。由于陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩很小，陶瓷球轴承的发热较少。(2)陶瓷和钢组成的摩擦副的摩擦系数小于钢和钢组成的摩擦副，产生的热量少，温升低。③组装时需要对轴承进行预加载。预紧力越大，变形和发热越多，轴承温升越快。当轴承高速运转时，轴承承受的总载荷包括初始预紧力和轴承内部载荷。内部载荷是由离心力和热膨胀差引起的。轴承工作时的预紧力大于装配时原有的预紧力，增加了轴承的摩擦发热和温升。由于HIPSN陶瓷材料的热膨胀系数只有轴承钢的25，所以在转速升高时，陶瓷球轴承的温升比钢轴承小得多。资料表明，陶瓷球轴承的内圈材料由热膨胀系数比轴承钢小20的不锈钢和渗碳钢制成。
材料，能有效降低轴承的温升。主轴振动频谱分析采用高灵敏度压电晶体传感器，利用离散傅里叶原理计算信号变换。图5和图6显示了PDB测量的A型电主轴的振动频谱。从图5可以看出，电主轴前端振动加速度波动较大，导致电主轴运行精度和刚度下降。从图6可以看出，陶瓷球轴承电主轴前端振动加速度变化很小，主轴运行动态精度高。通过对两种电主轴的比较，说明使用陶瓷球轴承可以有效地降低电主轴的振动，提高其运行精度和刚度。问题与对策实验中发现，两种陶瓷球轴承电主轴在运行初期都存在刚度差、低速精度低的问题。分析表明，它主要受轴承间隙和工作预紧力变化的影响。低速时，预紧力大，轴承间隙小，刚度高；在高速时，轴承内部由于高速运转而产生较大的载荷，两者叠加使得轴承的实际预紧力远远超过高速时的初始预紧力。轴承温度升高，使用寿命短，易出现早期烧结损坏。为了延长轴承寿命，要求陶瓷球轴承的初始预紧力较小。但初始预紧力过小，主轴启动时陶瓷球轴承间隙大，运行时变形大，刚度差。电主轴振动增大，严重影响电主轴的加工精度。解决的办法是研究和开发一种改变轴承预紧力的机构。主要有两个措施:①实施。
位置预紧力转换:②注意操作精度，低速时实施定位预紧，高速时采用预紧力转换机构。结论上述理论和实验分析表明，在相同条件下，陶瓷球轴承比钢制轴承更适合于高速运转。陶瓷球轴承在高速主轴单元设计制造中的应用，可以有效提高主轴的极限转速，降低高速主轴的振动，提高主轴的运转精度和刚度。陶瓷球轴承的应用可以延长电主轴的使用寿命，简化配套的润滑系统。但需要解决陶瓷球轴承在低速运行条件下刚度差、精度低的问题。