高速机床主轴支承系统轴承配置分析

高速机床主轴支承系统轴承配置分析

Analysis on Bearing Configuration for Spindle Bearing System in H igh-speed Machine

王玉金①　赵　韩①　罗继伟②

(①合肥工业大学　②洛阳轴承研究所)

摘　要:介绍了高速机床主轴支承系统的典型结构和主要配置形式,阐述了机床主轴轴承的结构特点和选择原则,比较分析了几种主轴支承系统常用配置的高速性能、旋转精度、刚度和寿命等性能特点。

关键词:高速主轴　轴承配置

1　机床主轴的高速化及对轴承的基本要求

高速加工技术的发展,推动了机床主轴高速化的发展。目前机床主轴转速已从3000～5000r/min发展到15000～70000r/min。如美国Boston Digtal公司的立式加工中心,主轴转速为60000r/min,瑞士Mikron公司的高速数控镗铣床,主轴转速为42000r/ min,意大利Fidia公司的高速铣床,主轴转速为24000 r/min。国内在近两年也推出了主轴转速在15000～25 000r/min的数控机床。目前,传统的车铣镗界线已被打破。随着机床主轴高速化的发展,传统的机械传动已逐步由变频电源加电主轴传动方式所取代。为适应高速传动,对机床用轴承提出了更为严格的要求:

(1)轴承尺寸公差及旋转精度允差要小,以适应高精度切削要求;

(2)用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和推力球轴承承受径向和轴向载荷,并适应高速切削;

(3)减小径向截面尺寸,以减小主轴系统的体积并有利于系统的热传导;

(4)尽量采用小而多的滚动体,以减小高速旋转惯性力并进而提高轴系的动刚度;

(5)采用高强度、轻质保持架,选择合理的引导方式,以适应高速旋转;

(6)尽量采用配对轴承,以保证轴承的旋转精度与刚度。

满足这些要求后,轴承可实现高速旋转而温升低、刚性高。主轴高速旋转所产生的离心力远远大于切削力对滚动体的作用,所以高速主轴的主要设计参数为转速。轴承的高速性能用其速度因子d m·N或d·N 值来简便地衡量(d m表示滚动体中心圆直径,mm;d 表示轴承内径,mm;N表示轴承的转速,r/min),d m·N 值超过0.8×106(mm·r/min)或d·N超过0.6×106(mm·r/min)即称为高速轴承。

2　高速机床主轴支承系统的典型结构

图1是数控车床电主轴支承的典型配置形式,适用于高速切削。其前支承采用T BT A或T BT B配置,后支承采用DBA配置,两套角接触球轴承按轻载荷配对。这种支承配置方式的电主轴,如用脂润滑d m·N 值可达1.0×106mm·r/min;如用油气润滑,d m·N值可达1.3×106mm·r/min。采用这种配置的主轴由于前后支承完全处于预紧状态,因此配合引起的附加载荷和机床热平衡前主轴快速温升引起的附加载荷往往难以计算、预测与控制。温升引起的附加轴向变形也无法消除。为此,座孔与轴承外圈一般选择微间隙配合,预紧则采用柱形弹簧或液压挡边实行定压预紧,

以消

图1　

数控车床电主轴

图2　内圆磨床电主轴

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制造技术与机床

2003年第1期·44

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除温升附加轴向力。

图2是高速内圆磨削电主轴和高速铣削电主轴的典型配置形式。前后支承分别安装两套按DBA 方式配对的角接触球轴承,柱形弹簧预紧。如采用油气润滑,主轴的d m ·N 值可达1.5×106mm ·r/min 。

如果支

图3　超高速电主轴

承轴承为陶瓷球轴承,主轴的d m ·N 值可达1.8×106mm ·r/min 。

图3是超高速电主轴的配置形式,前后支承分别

装用一套接触角为12°的角接触球轴承。如果采用陶瓷球轴承,主轴的d m ·N 值可达2.8×106mm ·r/min 。图中主轴装用轴承为H7005C/P 4AH Q 1混合陶瓷球轴承,主轴在80000r/min 时的温升为15°。

3　机床轴承的配置选择应注意的问题

表1列出了机床轴承常见的配置形式和性能特点。一般而言,深沟球轴承、圆柱滚子轴承可用来承受主轴的径向载荷,推力球或推力滚子轴承可用以承受

轴向载荷。角接触球轴承和圆锥滚子轴承用来承受径

轴向联合载荷以及载荷方向不够明确的附加载荷。对

表1　

常见主轴用轴承几种配置方式及性能比较

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于高刚性、大载荷、中低速可首选配置1,中速、高刚性兼高精度选择配置2和3,如要实现高速和轻载,则要选用配置5、6和7。如果应用场合为超高速切削,则只有选择配置8和9。对高速重载、高刚性的主轴,可选用配置10。需要说明的是此时轴承要选用带液压挡边的TS MA系列A级(IS O2)轴承。

当然,机床主轴系统的刚性、载荷能力和高速性还取决于支承轴承的系列、精度、内部结构和轴系的润滑与冷却方式。如外形尺寸相同的角接触球轴承,15°接触角比25°接触角极限转速高10%～15%,P0级轴承极限转速只相当于P4级轴承的40%～50%,而P2级轴承极限转速比P4级高10%,脂润滑极限转速相当于油雾润滑的70%左右。表2给出了内径65mm、接触角15°、不同系列、不同结构、不同精度等级、不同材料轴承的额定载荷与极限转速。从表2可以看出,轴承的结构参数对载荷和转速的影响是很大的。如对同样尺寸的7013轴承(基型),高速型H7013C/P4轴承额定动载荷是7013C/P4的52.19%,极限转速是7013C/P4的113倍,是7013C的 3.9倍,而装用陶瓷球的H7013C/P4H Q1极限转速则比7013C/P4高60%。因此机床设计师在设计主轴系统时,一定要了解各种机床主轴轴承的特性参数,以便实现最佳的主轴支承配置。

表2　同一基型不同精度、不同系列、不同结构轴承载荷与转速

(内径d=65mm,接触角α=15°)

轴承型号

额定载荷(kN)极限转速(r/m in)

Cr C or脂油

备 注

7013C/P0 7213C/P040.0

69.8

3515

5512

5300

4800

7000

6300

基型结构冲压金属保持架

71913C/P4 7013C/P4 7213C/P425.1

38.9

6715

3119

4219

6910

13000

13000

11000

20000

20000

18000

采用夹布胶木保持架,挡边外引导。

H71913C/P4 H7013C/P41618

2012

1415

1816

17000

16000

28000

26000

采用夹布胶木保持架,挡边外引导,保持架内径接近钢

球中心圆直径。

H71913C/P4HQ1 H7013C/P4HQ11618

2012

1415

1816

17000

19000

20000

32000

保持架结构、引导方式同上,采用陶瓷球。

第一作者:王玉金,合肥工业大学,邮编:442002(编辑　吕伯诚)　(收稿日期:2002-08-28)

(上接第43页)

磨削,简化了机床结构,提高了机械系统的刚度,便于实现螺杆磨削的自动化。

(2)砂轮修整工具安装在机床工作台上,借助于机床工作台的纵向运动和砂轮的横向运动实现对砂轮的自动修整,不需额外的砂轮修整控制轴。

(3)采用三根控制轴便能实现螺杆的自动磨削和砂轮的自动修整,机床机械结构和控制系统均得到简化。

(4)采用PC微机和通用数控系统构成两级控制,解决了变参数条件下砂轮截形适时计算和数控加工程序的自动生成问题。

4　结束语

笔者所研制的第一台样机已在国内一家知名的橡塑机械集团公司使用,该用户对样机的磨削效率和性能较为满意,经改进后的第二台磨床样机已进入装配调试阶段。然而,作为一个产品,所需做的工作还很多,笔者将与生产厂家合作,尽快将所研制的螺杆磨床产业化,迅速推向市场。

参考文献

1　乐美豪1我国螺杆制造技术的现状和发展趋势1机电国际市场, 2000(5)

2　王隆太等1同向双螺杆挤出机螺杆磨削砂轮的截形计算12000年全国高校制造自动化研究会年会论文集1北京:机械工业出版社,2000 3　Harada Hiroyuki,K agiwada T adao.M ethod for Ball Screw-generation W ith2 out F orm-dressing(T w o-dimensional Setting of Wheel Axis and One-path Pro2 cessing).T ransactions of the Japan S ociety of M echanical Engineers,Part C, 1997,63:247-253

4　K agiwada T adao.C om puter-aided Thread G rinding W ithout F orm dressing.

JS ME International Journal,Series C:Dynam ics,C ontrol,R obotics,Design and M anu facturing,1994,37:217-223

第一作者:王隆太,江苏扬州江阳中路36号,扬州大学工学院机械系,邮编:225009

(编辑　吕伯诚)

(收稿日期:2001-06-14)

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