無心磨床主軸摩擦磨損的實驗研究

侯培紅, 徐國志

(1.上海電機學院 機械學院， 上海 200245; 2.無錫靈山機械有限公司， 江蘇 無錫 214092)

無心磨床主軸摩擦磨損的實驗研究

侯培紅1, 徐國志2

(1.上海電機學院 機械學院， 上海 200245; 2.無錫靈山機械有限公司， 江蘇 無錫 214092)

分析傳統主軸結構，進行陶瓷噴涂主軸軸瓦磨損比較，以提高主軸精度和壽命。介紹了不同無心磨床主軸表面處理方法，進行了不同材質軸瓦、不同油脂的動壓磨損數值測定，確認潤滑油的潤滑效果。結論是選擇32#抗磨液壓油作為陶瓷軸頸-鋅基合金軸瓦的潤滑油；20#機械油作為40Cr軸頸-鋅基合金軸瓦的潤滑油；32#導軌油作為陶瓷、40Cr軸頸-青銅軸瓦的潤滑油為佳。

陶瓷噴涂； 磨損量； 摩擦磨損； 摩擦系數

工業的不斷發展對機械零部件制造精度要求越來越高，磨床由于其易于使工件達到較高的尺寸精度和較小的表面粗糙度，故其為精密加工的重要工具之一。特別是隨著高速切削和強力磨削的發展，磨床的應用越來越廣泛，因而提高磨床精度顯得越發重要，相關研究也在不斷深入[1-15]，諸如主軸系統及結構設計[1-2]、主軸系統壽命及其診斷[3-4]、主軸摩擦磨損機理與特性[5-9]、主軸表面處理工藝及其修復[10-14]、軸瓦磨損及其修復[15]、主軸軸承摩擦磨損及其潤滑試驗[16]等研究。無心磨床作為比較典型的磨床之一，正向著高速、高精度、高效方向發展。無心磨床的各個部件中主軸的精度直接影響加工精度的高低，由于軸頸的提前磨損必然導致無心磨床加工精度的提前“喪失”，大大地降低了產品加工精度和磨床的使用壽命。高硬度、高強度、高耐磨、高功能性的新材料不斷出現，不僅給磨床發展帶來新的挑戰，也指明了新的方向。其中，在高速主軸方面，動壓軸承獲得了廣泛的應用，解決了磨床主軸高速化與高精密化問題。基于表面工程新技術的研究成果，在基體上噴射涂層，能在低成本下獲得更高的精度，同時大大提高了機床的壽命。本文主要介紹經過不同無心磨床主軸表面鍍涂處理和采用不同材質軸瓦，制成各種不同的主軸-軸瓦摩擦副，然后，在不同的油脂條件下進行動壓磨損數值測定，從而確認所用潤滑劑的潤滑效果。

1 環塊摩擦磨損實驗裝置與實驗條件

實驗機主要由動力源、主軸傳動系統、試件固定及受載系統、數據采集及處理系統組成。該實驗機的主軸變頻調速范圍為20～1600r/min，實驗時加載范圍為10～200N。實驗裝置實物照片如圖1(a)所示，其裝置結構原理如圖1(b)所示。當電動機帶動主軸旋轉時，在主軸軸頸處的軸瓦會被磨損，于是懸臂梁便會在砝碼的重力作用下繞機架支點轉動，這時可通過中間位置的傳感器測得相應的位移，從而可計算得到軸瓦磨損量。

圖1 環-塊摩擦磨損實驗裝置Fig.1 Block-loop experiment table for friction and wearing

圖2為主軸及其軸頸處涂層情況。在圖2中，主軸支承軸承的軸頸處鍍涂陶瓷或40Gr，形成陶瓷環或40Gr環。該環在主軸旋轉時，直接接觸軸瓦，起到保護主軸的作用。

圖2 主軸及其涂層圖Fig.2 Spindle and its coating

無心磨床的磨頭主軸結構由主軸、定心軸瓦、微動軸瓦等組成。圖3為主軸及其軸瓦等的安裝情況。在軸環與軸承支座孔之間放置軸瓦，軸瓦背面與軸承座支承孔內壁沒有任何接觸，而是支承在3個球面螺釘上，這樣軸瓦在徑向和軸向都能自動調節位置，軸瓦徑向間隙和主軸的上母線、側母線由球面螺釘調節。而軸瓦內側壁與鍍涂的軸環形成一對摩擦副。

由于在使用主軸時，在軸環與軸瓦之間用壓力穩定地注入潤滑油，故在主軸作旋轉的過程中，在主軸與軸瓦之間將形成一層油膜，使主軸、軸環與軸瓦完全分開，處于純粹的液體摩擦狀態，以減少摩擦消耗。

本實驗所用潤滑劑有4種，即20#機械油、22# 主軸油、32#優質液壓油和32#導軌油。主軸軸頸處鍍涂環材料有40Gr和陶瓷，軸瓦材料有青銅和鋅基合金，由此組合形成40Gr環-青銅塊、陶瓷環-青銅塊和40Gr環-鋅基合金塊、陶瓷環-鋅基合金塊4種軸環-軸瓦塊摩擦副。

圖3 傳統磨頭主軸基本結構圖Fig.3 Basic structure of traditional grinding head spindle

2 測量原理

實驗時使用變頻器調整主軸轉速，變頻器頻率每升高0.1Hz，主軸轉速提高3r/min。實驗前確定實驗所需要的主軸轉速，主軸按確定的參數運行。在載荷作用下的試塊(軸瓦)與裝夾在主軸末端的軸環相對運動產生摩擦力，使得應變梁(懸臂梁)夾頭偏移原來位置，用傳感器測量出夾頭的偏移量。夾頭偏移量與摩擦系數間存在確定關系，關系式不僅與實驗機本身結構參數有關，也與主軸旋轉方向、載荷大小有關。為了簡化實驗，不妨在實驗中一律使得主軸反向旋轉。圖4為此時施力桿受力簡圖，假定施力桿本身質量影響與配重塊(砝碼)抵消，其與支架間的摩擦力忽略不計。設懸臂梁剛度為k，由力矩平衡條件，對于支點有：

∑M=0

(1)

(2)

圖4 施力桿受力簡圖Fig.4 Sketch of pole with exerted force

式中，F為加載載荷通過懸塊加載；N為摩擦環表面支反力；μ為摩擦系數；f為摩擦環對試塊的摩擦力;M為繞支點的力矩，其方向與主軸旋轉方向相同。本實驗裝置中l1=240mm，l2=120mm,b=85mm。

對于懸臂梁結構，有f=k·Δx。其中，k為懸臂梁結構剛度；Δx為夾頭部分位置與初始位置的偏移量。由于實驗中的偏移量與懸臂梁結構長度相比非常小，其偏移引起的摩擦力和支反力方向變化可以忽略不計。將f=k·Δx代入式(2)可得到如下關系式：

(3)

式中，m為懸塊質量；g為重力加速度。代入數據并將該公式寫入PC主控程序。由傳感器測得的偏移量，實際標定計算出懸臂梁的剛度，確定旋轉方向、載荷，即可由計算機處理，求出摩擦系數[16-17]。反向旋轉與此類似。

試驗前后試塊用丙酮小心清洗試塊并稱重，差值即為實驗磨損量。

3 試驗研究結果

3.1青銅軸瓦

(1) 40Cr環-青銅塊。① 潤滑劑：20#機械油、32#抗磨液壓油、32#導軌油和22#主軸油；② 試驗時間：2h；③ 試驗載荷：9.8N；④ 主軸轉速：1600r/min。

圖5 不同潤滑劑青銅軸瓦摩擦系數變化曲線(40Cr環-青銅塊)Fig.5 Curves of friction coefficients of bronze bearings (40Cr loop bronze block) with different lubricants

圖6 不同潤滑劑青銅軸瓦磨損量(40Cr環-青銅塊)Fig.6 Curves of wear of bronze bearings (40Cr loop bronze block) with different lubricants

由圖5和圖6可知，對40Cr環-青銅塊摩擦副，摩擦系數平均值分別為0.22、0.23、0.20、0.22；磨損量分別為5.4、3.5、2.0和1.0mg。32#抗磨液壓油的摩擦系數最小，32#導軌油的抗磨能力最強。

(2) 陶瓷環-青銅塊。① 潤滑劑：20#機械油、32#抗磨液壓油、32#導軌油和22#主軸油；② 試驗時間：8h；③ 試驗載荷：14.7N；④ 主軸轉速：1600r/min。

由圖7和圖8可知，對陶瓷環-青銅塊摩擦副，摩擦系數平均值分別為0.09、0.12、0.12、0.11；磨損量分別為1.7、0.7、0.9和0.6mg。20#機械油的摩擦系數最小，而32#導軌油的抗磨能力仍然最佳。

3.2鋅基合金軸瓦

(1) 40Cr環-鋅基合金塊。① 潤滑劑：20#機械油、22#主軸油、32#抗磨液壓油和32#導軌油；② 試驗時間：2h；③ 試驗載荷：9.8N；④ 主軸轉速：1600r/min。

由圖9和圖10可知，對40Cr環-鋅基合金塊摩擦副，摩擦系數平均值分別為0.190、0.235、0.230、0.240；磨損量分別為1.20、2.35、2.05和1.75mg。20#機械油的摩擦系數最小，其抗磨能力最強。

圖7 不同潤滑劑青銅軸瓦摩擦系數變化曲線(陶瓷環-青銅塊)Fig.7 Curves of friction coefficients of bronze bearings (ceramics loop-bronze block) with different lubricants

圖8 不同潤滑劑青銅軸瓦磨損量(陶瓷環-青銅塊)Fig.8 Curves of wear of bronze (ceramics loopbronze block) with different lubricants

(2) 陶瓷環-鋅基合金塊。① 潤滑劑：20#機械油、32#抗磨液壓油、32#導軌油和22#主軸油；② 試驗時間：8h；③ 試驗載荷：14.7N；④ 主軸轉速：1600r/min。

圖9 鋅基合金軸瓦不同潤滑劑摩擦系數影響曲線(40Cr環-鋅基合金塊)Fig.9 Curves different friction coefficients of different zinc alloys bearings (40Cr-loop-zinc alloy) with lubricants

圖10 不同潤滑劑鋅基合金軸瓦磨損量(40Cr環-鋅基合金塊)Fig.10 Curves of wear of different zinc alloys bearings (40 Cr-loop-zinc alloy) with lubricants

由圖11和圖12可知，對陶瓷環-鋅基合金塊摩擦副，摩擦系數平均值分別為0.025、0.070、0.045、0.030；磨損量分別為1.5、1.6、0.9和1.3mg。20#機械油的摩擦系數偏小，32# 抗磨液壓油的抗磨能力最佳。

圖11 不同潤滑劑鋅基合金軸瓦摩擦系數影響曲線(陶瓷環-鋅基合金塊)Fig.11 Curves of different friction coefficients of different zinc alloys bearings (ceramics loop-zinc alloy block) with lubricants

圖12 不同潤滑劑鋅基合金軸瓦磨損量(陶瓷環-鋅基合金塊)Fig.12 Curves of wear of different zinc alloys bearings (ceramics loop-zinc alloy blo-ck) with lubricants

3.3實驗結果分析

通過對幾種常用軸瓦摩擦系數和磨損量的測量，確認了主軸回轉時4種不同潤滑劑在40Cr環-青銅塊、陶瓷環-青銅塊、40Cr環-鋅基合金塊和陶瓷環-鋅基合金塊4種摩擦副中表現出的潤滑效果，為選擇主軸系統提供了判斷依據。

40Cr環-青銅塊摩擦副和40Cr環-鋅基合金塊摩擦副加載時間、載荷為2h、9.8N，陶瓷環-青銅塊摩擦副和陶瓷環-鋅基合金塊摩擦副加載時間、載荷為8h、14.7N。為了比較方便，將加載8h、14.7N時的數值進行了換算。表1為以2h、9.8N加載條件進行計算加以比較的結果。

表1 2h、9.8N加載條件下的磨損量換算結果

就摩擦系數而言，陶瓷環-鋅基合金塊摩擦副的為最小，此時20#機械油的摩擦系數僅為0.025；其次是陶瓷環-青銅塊摩擦副；然后是40Cr 環-青銅塊摩擦副和40Cr環-鋅基合金塊摩擦副，此時32#導軌油的摩擦系數為0.24。

磨損量則以陶瓷環-青銅塊摩擦副為最小，在32#導軌油，加載8h、14.7N時，僅為0.6mg，換算成2h、9.8N時，則僅為0.1mg。

4 結 語

本研究根據無心磨床主軸結構及其摩擦、磨損的特點，通過在主軸表面鍍涂處理和采用各種不同材質的軸瓦，制成各種摩擦副；同時，注入常用的各種不同的潤滑油，進行了各種摩擦、磨損試驗，得出了以下試驗研究結論：選擇32#抗磨液壓油作為陶瓷軸頸-鋅基合金軸瓦的潤滑油，20#機械油作為40Cr軸頸-鋅基合金軸瓦的潤滑油，32#導軌油作為陶瓷、40Cr軸頸-青銅軸瓦的潤滑油為佳。

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Experiment Study on Friction and Wear of Coreless Grinder Spindle

HOUPeihong1,XUGuozhi2

(1.School of Mechanical Engineering, Shanghai Dianji University, Shanghai 200245, China; 2.Wuxi lingshan Machinery Company, Wuxi 214092, Jiangsu, China)

The structure of classic spindle is analyzed.The spindle is compared through spray paint with different coating.Choosing different bearings and different greases, numerical test of dynamic pressure and wear comparison is conducted.The effect of lubricating oil is confirmed, and methods for improving precision and increasing lifespan are sought.It is concluded that the No.32 antiwear hydraulic oil for ceramics journal-zinc alloys bearings lubricants, No.20 machinery oil for 40Cr journal-zinc alloys bearings lubricants, and No.32 rail oil for bronze journal-zinc alloys bearings lubricants form the best match.

ceramic spray paint; wearing capacity; friction coefficient; friction; wearing

2095-0020(2013)06 -0330-06

TG 581.3

A

2013-10-21

上海電機學院環境裝備學科資助(12XKJ01)

侯培紅(1959-)，男，教授，博士，主要研究方向為硬材料及其加工方法研究，E-mail：Peihonghou5@163.com