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超高速磨床高速电主轴用轴承

来源:9159金沙游艺场---发布时间:2020/6/29
  (1)滚动轴承数控磨床高速主轴的性能,在相当程度上取决于主轴轴承及其润滑。滚动轴承由于具有刚度好、精度可以制造得较高、承载能力强和结构相对简单的特点,受到超高速磨床的青睐。从高速性的角度看,滚动轴承中角接触球轴承最好,圆柱滚子轴承次之,圆锥滚子轴承最差。
  角接触球轴承的球(即滚珠)既公转又自转,会产生离心力F。和陀螺力矩Mg。随着主轴转速的增加,离心力F。和陀螺力矩吼也会急剧加大,使轴承产生很大的接触应力,从而导致轴承摩擦加剧、温升增高、精度下降和寿命缩短。
  因此,要提高这种轴承的高速性能,就应想方设法抑制其Fo和Mo的增加。从角接触球轴承Fo和Mo的计算公式得知,减少球材料的密度、球的直径和球的接触角都有利于减少Fo和Mo,所以现在高速主轴多使用接触角为15度或20度的小球径轴承。但是,球径不能减小过多,基本上只能是标准系列球径的70%,以免削弱轴承的刚度,更关键的还是摹在球的材料上寻求改进。
  与GCrl5轴承钢相比,氮化硅(Si,N4)陶瓷的密度仅为GCrl5轴承钢的41%,用氮化矽制作的球要轻得多,自然在高速回转时所产生的离心力和陀螺力矩也要小得多。与此同时,氮化矽陶瓷的弹性模量和硬度是轴承钢的1.5倍和2.3倍,而热膨胀系数仅为轴承钢的25%,这既可提高轴承的刚度和寿命,又使轴承的配合间隙在不同温升条件下变化。ぷ骺煽,加之陶瓷耐高温且不与金属发生粘咬,显然用氮化矽陶瓷制作球体更适合进行高速回转。实践表明,陶瓷球角接触球轴承与相应的钢球角接触球轴承相比速度能提高25%~35%,不过价格也要高一些。
  国外将内外圈为钢、滚动体为陶瓷的轴承统称为混合轴承。目前混合轴承又有新发展:一是陶瓷材料已用于制作圆柱滚子轴承的滚子,市场上出现了陶瓷圆柱混合轴承;二是用不锈钢(比如FAG公司用氮化不锈钢代替轴承钢制作轴承的内外圈特别是内圈,由于不锈钢的热膨胀系数比轴承钢小20%,自然在高速回转时,因内圈热膨胀所造成的接触应力增大趋势会受到抑制)。
  众所周知,DN值是表达滚动轴承高速性能的速度因子(D是滚动轴承内、外圈的平均直径,单位为mln;Ⅳ是轴承的转速,单位为r/min)。角接触球轴承的高速性能不仅与球的接触角、直径和材料相关,而且与轴承的润滑方式关系密切。目前滚动轴承有脂润滑、油雾润滑和油气润滑三种方式,其中油雾润滑虽然效果不错,但污染环境和:と私】,国外已很少采用。
  脂润滑是最简单和环保性最好的一种润滑方式。由于脂在超高速运转下容易变质,故其 DN值较低,轴承为钢球时仅达80×104mm·r/min,为陶瓷球时可达110×104mm·r/min(FAG公司开发的新一代低温轴承其DN值还可以在此基础上增加10%左右)。现在高速主轴轴承用得最多的是油气润滑方式,它是定时、定量地供给轴承油.气混合物,使轴承各部位获得最佳的微量润滑并把污染减至很小。
  采用油气润滑的钢球或陶瓷球角接触球轴承,其DN值一般可分别达到140×10’mm·r/min和2 10×104mm·r/min,若采用比较特殊的油气润滑方式,陶瓷球角接触球轴承的DN值可达250×104mm·r/min甚至更高一点。
  高速电主轴滚动轴承的配置形式有多种,但比较典型的是前、后轴承呈。“O"形布局的两对角接触球轴承。由于后轴承也是角接触球轴承,一般要设置滚珠套以便让后轴承能沿壳体轴向移动,使得主轴受热后可自由向后方膨胀。一般说来,角接触球轴承需要在轴向有预加负荷时才能正常工作,预加负荷越大,轴承的刚度越高,但温升也越大。比较简单的办法是,根据电主轴的转速范围和所要承受的负载,选定一个最佳的固定预加负荷值;更好的办法则是,预加负荷能随主轴转速改变而调整,在高转速时减小预加负荷,在低转速时增加预加负荷。
  最近几年,由于陶瓷圆柱混合轴承的面世和油气润滑的较普遍应用,圆柱滚子轴承的高速性能得到较大改进,所以现在已有相当数量的高速加工中心,其电主轴的后轴承采用了允许内、外圈相对移动量较大并能承受更大径向负荷的圆柱滚子轴承。这样就可在提高刚度的条件下,用比较简单的结构达到主轴可自由向后膨胀的目的,瑞士Step.Tec公司生产的高速电主轴,其后轴承就是采用陶瓷圆柱混合轴承。
  (2)动静压轴承它用流体动力与流体静力相结合的方法使主轴在油膜支撑中回转,兼有动压轴零和静压轴承的优点,刚度和精度高,阻尼大,寿命长,已用于Ingersoll主轴最高转速为20000r/min的某些高速磨床上。然而,此种轴承在主轴轴颈表藤线速度超过50m/s时,油流也会由层流变为湍流,同样会出现发热严重和功率损失的问题,其进一步高速化仍是一个正在研究的课题,并一直受到业界人士的重视。湖南大学也研制了动静压轴承高速外圆磨削电主轴,如图22所示,最高转速8000r/min(功率18kW),旋转精度1.0,主轴直径70mm,6000r/min运转最高温升15度3(室温25度),已成功地在高速磨床上应用多年,具有轴承刚性好(达340N/l山m)、回转精度高(径向、轴向跳动均在0j002mm以内).、使用寿命长(可连续运行几年而免维护)等优点。静动压轴承供油系统配置了油液恒温控制油箱,以保证主轴轴承处的温升在最高速时不大于20aC,另外,在后置调频电动机处设计了强风排热装置,保证主轴系统长时间运转的工作稳定性。
  
  图22动静压电主轴不意图
  目前国外超高速磨床较多采用的是陶瓷球轴承、磁悬浮轴承及液体静压轴承。陶瓷球轴承制造难度大、成本高,与钢配套时热膨胀系数。岳煊α腿笨谟αγ舾校淮判≈岢性旒郯汗,承载能力相对较低,常用于高速轻切削机床主轴系统;静压轴承则必须配有较大功率的供油系统,且噪声大。而液体动静压轴承则拥有动压轴承和静压轴承的优点,在全速度范围内能保持很高的承载能力、刚度、旋转精度、抗振性;同时在主轴系统中采用冷却措施后,主轴轴承系统的温升和热变形将会得到有效的控制,因而将在超高速磨床上得到广泛的应用。传统的轴承工程设计更多的是依赖经验和近似计算,通过试验对比寻求较优方案而不是最优方案。本研究基于试验和所建立的轴承稳态性能数学模型,实现了实用化高速液体动静压轴承优化设计。
1)轴承结构形式 图7-23给出了机床高速主轴采用的五腔液体动静压轴承几何示意图。小腔结构可提高轴承刚性,外加小孔节流可提高轴承的静压承载能力,且节流器对液体的阻力与粘度无关,因而油液温升对节流器液阻无影响,故小孔节流器适合用于高速精密机床主轴中。另外,轴承采用低粘度流体做工作介质,在满足油膜刚度的前提下,克服了大封油面引起大摩擦功耗这一问题,从而降低了油膜温升。不设置轴向回油槽,轴承流量。曳庥兔嫔嫌邢灾亩剐в。采用五腔结构,承载能力及油膜刚度的方向性。湍ぞ饔们,主轴运转精度也随之提高。在高速条件下,轴承封油面粗糙可能导致油膜压力和温度的升高,故应降低表面粗糙度。
  
  图23 高速动静压轴承几何示意图
  轴承在纯静压工作时,在整个油腔内腔压可认为是 均匀的;而在油腔的液流方向一侧边界上由于流体的惯性而出现了压力下降。在轴承动静压工作时,由于粘性剪切效应,在节流口供油线的顺流区域的临近油腔边界处会出现压力上升现象。
  高速动静压轴承有限元数值计算程序框图如图24所示。
  2)优化设计。高速动静压轴承结构较复杂,且参数多。其优化设计可分为腔型结构优化和结构参数优化设计。由文献知,高速轴承油腔形状以方形为好。矩形油腔形状与方形类似,也值得研究。提高供油压力可以提高轴承的承载能力,同时也不会增加轴承的温升(当然液压系统的温升会增大)。目前,普通齿轮油泵最大供油压力为2.5MPa,因此要达到有关文献中所述7MPa的供油压力,必须对供油系统作大的改进,供油压力选择也需要作相应调整。轴承润滑剂可采用3号高速机油,其粘度较。咚傧轮岢形律系。在更高的转速下,可采用粘度更小的水做润滑剂。在影响轴承性能的众多参数中,以半径间隙、小孔节流器孔径、轴承宽径比、腔面积与轴承总内表面积之比、轴承相对轴向封油面长度和相对周向封油面长度等参数对设计目标函数的影响最显著,可将其作为可选择的设计变量。
  高速主轴轴承系统的设计,关键是降低发热和温升,而协调轴承承载能力与总功率损失(尤其是轴承摩擦功耗)之间的关系是优化设计的核心,通常是以单位承载量下的总功率损失最小作为优化设计的目标函数。将超高速主轴轴承系统的一些次要的性能及设计变量取值作为边界条件处理,同时为加快优化计算,可将设计变量、目标函数和约束条件进行规格化处理。
  针对磨削速度达150m/s的超高速磨削主轴系统的‘ 图24数值计算程序框图动静压混合轴承进行了优化设计。优化设计计算表明,矩形油腔轴承性能要明显优于方形油腔轴承。优化结果表明,轴承具有较高的承载能力、较大的润滑油流量、较低的温升、较低的功耗,其他参数也较好,这表明优化设计是成功的。比较优化设计与初设计,轴承的稳态性能(即优化设计的目标函数)从0.1327下降到0.1174,得到了明显改善。本优化设计的结果将应用于超高速磨头轴承设计中。
  研究表明,轴承中最大压力出现在最小油膜厚度处的封油面上;温升是由轴承内流体的湍流效应和轴承表面粗糙度效应共同作用的结果。研究还表明,轴承的圆周方向的收敛区内,温升不断增加,在轴承最小油膜厚度的下游位置,温升到达最大值,并在这段范围内保持这个最大值。在轴承的轴向方向,在端泄处(即轴承两端)的温升最大。在轴承最大温升区域,润滑剂的粘度和密度有一定下降。
  随着轴承半径间隙的增大,轴承流量增大而温升快速下降,摩擦力矩随着半径间隙的增大而稍有减小。但在小半径间隙处,因为轴承温升最大而使得润滑剂的粘度降低,因此此处摩擦力矩小。在高速大偏心率条件下,轴承摩擦力矩增大、温升升高,尽管增大轴承半径间隙能降低温升,但同时轴承润滑剂流量也增大而导致轴承供油系统中功耗增大,而且半径间隙加大会导致轴承刚度下降,因此要综合考虑。主轴高速旋转时会产生大离心力,由于离心力的影响,轴会膨胀从而导致间隙减。抑岢兄懈咴衔律不岬贾轮岢斜湫味跋熘岢屑湎,故应考虑热弹性。
  研究表明,轴承在绝热和等温条件下性能计算值之所以相近,是由于轴承的部分性能由其小孔节流器决定。因此,润滑剂对轴承性能的影响不是很大,但是轴承中润滑剂的温度升、高不但会较严重地影响润滑剂的粘度,而且会影响轴承间隙;从而对其性能产生明显影响。因此,动静压轴承的热效应决不能忽视。另外,过高的温升不仅会破坏润滑剂性质,而且会破坏轴承材料。因为高的温度梯度会使轴承的材料产生裂纹,而轴承中热效应不均匀会使轴承不均匀变形甚至发生抱轴事故。因此,在设计中必须注意,轴承材料必须与其配合件(如轴、箱体)材料在热效应引起的变形方面均匀一致,同时轴承材料热变形应尽量小。在设计计算中,要把轴承轴作为一个系统分析,同时考虑其热效应及热效应引起的弹性变形,进行弹性分析。此外,高速动静压轴承的主轴单元在制造、安装、装配、调试及调整中,也要保证高精度。
  (3)静压轴承空气静压轴承由于冈Ij度特别是承载能力很差,尽管回转精度很高和摩擦损失较。仓荒茉诔芨咚倌ハ鞯饶ハ鞲汉珊苄〉某『鲜褂胋油静压轴承在高速回转时,油囊内产生湍流,液体摩擦力也随转速增高而增大,会造成大的功率损失和引起严重的发热,故高速回转的切削机床仍很少采用(IBAG公司已有一种最高转速为32000r/min油静压轴承电主轴供应)。此外,FISCHER公司正研制一种以水为介质,名为Hydro-F的静压轴承电主轴,最高转速为36000r/min(功率为67kW)。
  静压轴承的设计方法与动静压轴承基本类似。
  (4)磁浮轴承它是利用电磁力将主轴悬浮在空气中的一种高性能轴承,而且在运转过程中用灵敏的传感器不断检测主轴位置,并反馈给控制器实时调整电磁力,使与转子(轴承转子和电动机转子)结合在一起的主轴始终保持在正确位置上。由于采用电子反馈系统进行自动调节,其刚度和阻尼可控,主轴能自动动平衡,其回转精度可高达0.1 Ixm。磁浮轴承无机械接触,寿命很长,它的高速性能仅受转子硅钢片离心力的制约,转子最高线速度可达200m/s。显而易见,磁浮轴承很适合高速高精度磨削机床使用,但由于控镑!}复杂,成本’‘很高,目前实际在机床上使用的还不多。德国GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮轴承电主轴出售(IBAG生产最高转速为70000r/min和40000f/rain的两种型号)。
  磁浮轴承是利用电磁力将主轴无机械接触、无润滑地悬浮起来的一种新型智能化轴承。磁浮轴承主轴单元的转子和定子之间的单边间隙为0.3~1.0mm,未开动以前,主轴由左右两端的“辅助轴承"支承,其间隙小于磁浮轴承的间隙,用以防止磁浮轴承在电磁系统失灵时发生故障。工作时,转子的位置用高灵敏度的传感器不断进行检测,其信号传给PID控制器,以10000/.欠/s左右的运算速度,对数据进行分析和处理,算出用于校正转子位置所需的电流值,经功率放大后,输入定子电磁铁,改变电磁力,从而始终傈持转子(主轴)的正确位置。
  由于元机械接触,磁浮轴承不存在机械摩擦与磨损,寿命很长。转子线速度可高达瑚n1/s(极限速度只受硅钢片离心力强度的限制).,无需润滑和密封,结构大为简化。能耗很小(仅为滚动轴承的1/50),无振动、无噪声、温升小、热变形小。可在真空或有腐蚀介质的环境中工作,工作可靠,几乎不用维修。
  由于磁浮轴承是用电磁力进行反馈控制的智能型轴承,转子位置能够自律,主轴刚度和阻尼可调。因此,当由于负载变化使主轴轴线偏移时,磁浮轴承能迅速克服偏移面回到正确位置,实现实时诊断和在线监控,使主轴始终绕惯性轴回转,消除了振动,并可使主轴平稳地越过各阶临界转速,实现超高速运转,回转精度高达0.2mm。
  装有磁浮轴承的主轴可以适应控制,通过监测定子线圈的电流,灵敏地控制切削力,通过检测切削力微小变化控制机械运动,以提高加工质量。因此,磁浮轴承特别适用于高速、超高速加工。磨床主轴有超高速磨削主轴头,并已标准化。
磨床主轴设计中要求限定5个自由度,仅留一个回转自由度。因此,要进行5自由度控崩的磨床主轴磁浮轴承结构(图7-25)设计。
  磁浮轴承支承的高速磨床主轴系统设计可综合为以下四个步骤。
  1)径向和轴向磁浮轴承的性能结构等参数设计。
  2)磁浮轴承主轴系统控制器参数的稳定域计算,从而得到的是各向同性的系统参数.最终系统需通过调试达到各向异性。
  3)高速磁浮轴承主轴系统的动力学计算,以了解系统在高速运行时的稳定性。
  4)主轴系统的陀螺效应分析计算,以确定是否需要进行陀螺效应控制补偿。
  按照上述步骤,可以对超高速磁浮轴承外圆磨床主轴单元系统进行设计,经试验证明是成功的。当然作更深入的研究是非常必要的。
  磁浮轴承转子系统的设计是一个复杂的过程,其中主要的可分为:以轴承几何与电气参数为主的系统控制器的参数设计、以转子结构和轴承动特性系数为主的动力学性能设计以及特定条件下的陀螺效应解耦设计。除此之外,一个完整的磁浮轴承转子系统的设计还包括必要的机械设计、磁路与电磁场设计以及电子电路的设计等。一个稳定运行的磁浮轴承转子系统除了精确地设计外,系统的调试环节也是至关紧要的,有时甚至对成功与否起到决定性的作用。
  目前,这种磁浮轴承已应用于高速大功率电主轴中,采用CBN砂轮,进行高效深磨加工,在实验室中取得了成功,它可以将铸锻毛坯直接加工出成品,集粗精加工于一身,‘同普通磨削相比,加工工时可以缩短98%,使磨削实现了优质与高效的结合。
  磁浮轴承支承的高速主轴系统,具有高速、高刚度、高精度和可控等无可比拟的优点。应用该技术的超高速磨床,虽然初期投资成本高,但其优越的使用性能使其综合效益高。期望国内有关单位积极开拓,使磁浮轴承主轴单元技术尽早得到应用。
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