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【中文3140字】
高性能機(jī)床主軸的發(fā)展
摘要：主軸系統(tǒng)在現(xiàn)代機(jī)床中的一個(gè)重要要求是實(shí)現(xiàn)更高的轉(zhuǎn)速?gòu)亩岣呒庸ば省４送?，要使主軸系統(tǒng)在一個(gè)給定的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)免受不正當(dāng)?shù)牟僮鳁l件且具有較好的穩(wěn)定性。本文提出了有助于主軸軸承在不同的領(lǐng)域的改進(jìn)研究系統(tǒng)。首先，提出了替代主軸軸承運(yùn)動(dòng)學(xué)四觸點(diǎn)的新結(jié)果。其次，對(duì)于浮動(dòng)軸承的配置進(jìn)行了新的解決方案的討論。提出一種改進(jìn)的圓柱滾子軸承，可以在更高的速度下操作。最后，討論了在改進(jìn)后的涂層軸承組件的故障安全性能下的潛能。在本文中介紹了這兩個(gè)的分析研究和實(shí)驗(yàn)測(cè)試。
關(guān)鍵詞：機(jī)械，主軸，軸承
1.介紹
現(xiàn)代機(jī)床的生產(chǎn)率主要取決于轉(zhuǎn)速限制和主軸單元的負(fù)荷能力。
一方面，現(xiàn)代切削刀具采用鋁或鎂，并配有立方氮化硼（ CBN）或多晶金剛石（PCD）的刀片，這樣的切削加工工具，使得切削速率從5000m/min高達(dá)10000m/min。銑削刀具應(yīng)用20至30毫米的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)非常高的切削速度，從而達(dá)到主軸速度超過(guò)100000 rpm的要求。根據(jù)滾動(dòng)軸承的技術(shù)在本領(lǐng)域的實(shí)際狀態(tài)，這種需求目前只能用平均直徑為30毫米的主軸軸承來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，由于這些極端工作條件下，主軸單元的所有功能部件主軸軸承、電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子會(huì)加載到其物理極限。
另一方面，主軸還被應(yīng)用于通用機(jī)床。這些特點(diǎn)是由不同的需求所決定的。例如，具有高的切割力和力矩適中的轉(zhuǎn)速的鋼的粗加工，在這種情況下，大直徑的主軸和軸承來(lái)承受這些載荷。
主軸設(shè)計(jì)方法的不同是源于需求的不同。為了滿足這些需求，速度特性系數(shù)nxdm必須增加高達(dá)3.5 ～4.0×106mm/min，來(lái)充分確保主軸本身和主軸軸承的剛度和穩(wěn)定性。
圖1 銑刀電機(jī)主軸滾動(dòng)軸承
2.多位（3P，4P）主軸軸承
2.1軸承幾何優(yōu)化的推動(dòng)
軸承被主要應(yīng)用在現(xiàn)代主軸機(jī)床中，必須履行最高要求運(yùn)行精度和剛度。在過(guò)去，為了提高軸承的性能開發(fā)了各種修改方法。其中，通過(guò)給較小的陶瓷球以及優(yōu)化的外圈使用特殊潤(rùn)滑劑。盡管如此，高速運(yùn)轉(zhuǎn)還是極大地降低樂(lè)軸承的使用壽命。在操作過(guò)程中底層的主要作用是由不同的用途來(lái)決定的。尤其是，高速運(yùn)轉(zhuǎn)的內(nèi)圈和外圈上的接觸角的依賴性偏差導(dǎo)致軸向和徑向剛度的減少。另外，在外圈上的接觸區(qū)域的離心力作用下，陶瓷球受到強(qiáng)烈的負(fù)荷。
軸承之所以具有不同的內(nèi)部幾何形狀是為了減少作用在滾珠上離心力所帶來(lái)的負(fù)面影響。此外，對(duì)軸承的穩(wěn)定性也有所提高，并對(duì)傳統(tǒng)軸承的內(nèi)圈和外圈滾道提供額外的接觸點(diǎn)。因此，滾珠的軸向和徑向移動(dòng)被阻止，恒定的接觸角和軸向位移使內(nèi)圈可以保證在很寬的速度范圍內(nèi)運(yùn)動(dòng)。上述這種思想被引入到軸承的設(shè)計(jì)概念中，如圖2所示（a）和（b）。圖2中的第三個(gè)（c）這種新概念的設(shè)計(jì)方法在文中也介紹了。
圖2 軸承的不同多點(diǎn)(3 p,4 p)選擇
2.2多點(diǎn)分析研究（4P）軸承
表一主要研究多點(diǎn)（3P）軸承的操作過(guò)程及理論和實(shí)踐調(diào)查。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的軸承制造機(jī)床和生產(chǎn)工程(WZL)是在傳統(tǒng)主軸軸承的基礎(chǔ)上的。也有一些通過(guò)數(shù)值計(jì)算分析特性的多點(diǎn)（4P)軸承。
隨后,關(guān)于新軸承的發(fā)展有了進(jìn)一步的結(jié)果,運(yùn)動(dòng)學(xué)和四個(gè)接觸分球正在考慮被使用。所有的計(jì)算都是在軸承型號(hào)為7014、直徑為12.7mm的陶瓷球上完成的。下面的圖中使用縮略語(yǔ)，在表1的中列出。
表1 3.、4、5使用的是縮用詞
在[1]的計(jì)算中表明，內(nèi)圈的軸向位移可以減少不到兩個(gè)微米，接觸角的變化依賴速度是可以預(yù)防的。但是，多點(diǎn)軸承(4 p)的安裝與徑向間是有間隙的。因此，他們對(duì)熱有非常敏感的影響，特別是過(guò)度的高溫使得軸承的內(nèi)圈可能會(huì)引起相互干擾。這些影響也發(fā)生在高速旋轉(zhuǎn)的圓柱滾子軸承。圖3說(shuō)明了多點(diǎn)（4P）軸承的內(nèi)圈和外圈在1赫茲和4赫茲下的接觸壓力。這些直接接觸直接傳遞到軸向荷載（見(jiàn)圖表）和最大程度所受壓力上。軸承的徑向間隙顯示為22微米的。為了防止內(nèi)圈彈出，應(yīng)選擇合適的內(nèi)圈并與軸之間有35微米的間隙量。因此，軸承是提前被安裝上的。曲線1和2不考慮軸承計(jì)算的熱效應(yīng)。高應(yīng)力值在內(nèi)圈滾道曲率的結(jié)果上是很廣的。赫茲壓力的增加造成的內(nèi)圈離心的擴(kuò)張以及作用在球上的離心力增大。
圖3 在多點(diǎn)（4P）軸承在赫茲壓力下速度和溫度
相反，曲線3和4顯示內(nèi)圈結(jié)合離心力超溫（線性增加）的影響。通過(guò)假設(shè)并計(jì)算一個(gè)梯度為1K/2000 rpm的曲線，其內(nèi)部應(yīng)力顯著增加，這是可以注意到的。在最大轉(zhuǎn)速30000 rpm的赫茲壓力下，內(nèi)環(huán)上升超過(guò)限制值為2000 N/mm2。除了這些理論結(jié)果，還要必須考慮到內(nèi)部應(yīng)力的熱增加和過(guò)載的耦合效應(yīng)。因此，人們可以看到一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（4P）軸承的干擾在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下內(nèi)圈溫度明顯過(guò)剩。這個(gè)假設(shè)將在第2.3節(jié)中進(jìn)行研究。
圖2（c）顯示出第三個(gè)概念的新軸承幾何形狀的。它是為了防止在多點(diǎn)（4P）軸承的內(nèi)部超載而開發(fā)的。概念的特征是分割內(nèi)環(huán)，它是一半固定在主軸體面向主軸的刀具側(cè)面的環(huán)。于是，它可以承受從加工過(guò)程中產(chǎn)生的力。環(huán)下半部分可沿軸軸向移動(dòng)，并通過(guò)碟形彈簧壓向球，形成軸承的內(nèi)部預(yù)壓功能。
圖4中說(shuō)明了假設(shè)多余的溫度高達(dá)15 K線性（見(jiàn)圖3），多點(diǎn)（4P）軸承的內(nèi)圈在計(jì)算速度依賴性和運(yùn)動(dòng)學(xué)預(yù)裝中的發(fā)展，內(nèi)部彈簧預(yù)緊量為370N。
圖4 內(nèi)部彈簧預(yù)緊為370N的多點(diǎn)（4P）軸承
2.3多點(diǎn)（4P）軸承的試驗(yàn)及研究
該試驗(yàn)臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)研究如圖6，其直接驅(qū)動(dòng)可實(shí)現(xiàn)高達(dá)40,000 rpm的最大轉(zhuǎn)速，額定扭矩達(dá)4.2Nm，額定轉(zhuǎn)速為23,000 rpm。測(cè)試主軸和驅(qū)動(dòng)由一個(gè)爪式離合器相連接，試驗(yàn)軸承可沿軸向由一個(gè)液壓活塞被加載，外圈的回火是通過(guò)水的循環(huán)在凸緣上實(shí)現(xiàn)的。由此，引起的附加滾動(dòng)接觸的外圈的加熱可被減小。內(nèi)軸承的溫度是由一個(gè)接近內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)的非接觸式傳感器來(lái)測(cè)量的。
圖6 試驗(yàn)臺(tái)
圖7中顯示的是實(shí)驗(yàn)結(jié)果為對(duì)多點(diǎn)（4P）軸承的一個(gè)剛性和一個(gè)彈性點(diǎn)。起初，剛性軸承（概念(b)，圖2所示）是測(cè)試的，在測(cè)試中進(jìn)行不回火的外圈。接著，將柔性軸承（概念(c)，圖2 所示）與所述外圈的回火進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)得的溫度顯示相關(guān)的環(huán)境溫度。在測(cè)試過(guò)程中的扭矩值來(lái)自電動(dòng)機(jī)的電流。在圖7中使用的縮寫在表2中說(shuō)明。
表2 在圖7中使用的縮寫
曲線[IT1]和[ OT1]說(shuō)明第一個(gè)試驗(yàn)軸承的內(nèi)圈和外圈的溫度，如概念(b)所示。軸向載荷達(dá)1,000 N，5克的軸承轉(zhuǎn)速高達(dá)19000轉(zhuǎn)，每2小時(shí)增加2000轉(zhuǎn)。
圖7 多點(diǎn)（4P)軸承的行為操作
3.可移動(dòng)的彈性圓柱滾子軸承
最高轉(zhuǎn)速主軸單元通常是基于角接觸球軸承的彈性裝置設(shè)計(jì)的。這種主軸由一個(gè)固定和移動(dòng)軸承單元，以補(bǔ)償熱運(yùn)動(dòng)的主軸伸長(zhǎng)率來(lái)設(shè)計(jì)的。主軸在溫度梯度的情況下，軸承套圈的外殼的軸向運(yùn)動(dòng)可減少甚至避免造成主軸故障。
在這種情況下，圓柱滾子軸承可稱為一個(gè)“理想”的移動(dòng)軸承。軸向相對(duì)的內(nèi)、外環(huán)是由一個(gè)螺旋滾筒的旋轉(zhuǎn)來(lái)運(yùn)動(dòng)的。然而，由于徑向干擾溫度及離心力作用于軸承組件而造成可達(dá)到的旋轉(zhuǎn)速度。因此，對(duì)高速圓柱滾子軸承的方法是減少基于功率損失而造成內(nèi)部產(chǎn)生的熱量和增加在線接觸赫茲壓力。
4.對(duì)軸承的故障安全特性功率的優(yōu)化
除了軸承設(shè)計(jì)的開發(fā)，更多的研究工作集中在傳統(tǒng)主軸軸承的故障安全性能的最優(yōu)化上。主軸故障往往是由潤(rùn)滑不足造成的，特別是潤(rùn)滑脂的潤(rùn)滑，潤(rùn)滑劑的供給不足，這些都可能會(huì)導(dǎo)致軸承的保持架破損或過(guò)熱。
5.總結(jié)
根據(jù)所設(shè)計(jì)的主軸角接觸球軸承以及圓柱滾子軸承的現(xiàn)有技術(shù)的狀態(tài)，被廣泛用于高速主軸的應(yīng)用程序中。然而，這兩種類型的軸承的旋轉(zhuǎn)速度是有限的，特別是通過(guò)物理作用如熱和離心載荷。在本文中，一些方法都瞄準(zhǔn)在軸承上的提高穩(wěn)定性和速度性能。
然而，由于不充分的滑動(dòng)軸承襯套，可動(dòng)軸承可能也會(huì)失敗。因此，適應(yīng)于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的圓柱滾子軸承的開發(fā)工作尤為重要。軸承比傳統(tǒng)的圓柱滾子軸承表現(xiàn)出更高的合規(guī)性。這個(gè)屬性是通過(guò)提供狹窄水道或外圈和內(nèi)圈與地面形成凹槽來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際測(cè)試中，這些軸承比傳統(tǒng)類型達(dá)到更高的轉(zhuǎn)速。最后，介紹了涂層下故障安全特性的主軸軸承潤(rùn)滑不足的情況的優(yōu)化。
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