加工中心主軸軸承的卸荷結構分析

吳東陽，宋思明，鈔仲凱，李東亞，張濤

（1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產業技術創新戰略聯盟，河南 洛陽 471039）

隨著科學技術和工業的發展，對加工設備的要求日益提高，加工中心（CNC）以其高效、高精度以及高自動化的優點得到廣泛應用。電主軸作為加工中心實現高速精密加工的核心部件[1]，受到越來越多機床廠家的重視。近年來，國內加工中心電主軸制造技術不斷提高，在一些應用場合能完全替代進口電主軸。軸承是電主軸的核心零部件，以主軸軸承為研究對象，分析了軸承在加工中心主軸松拉刀系統松、拉刀時的受力情況，闡述了軸承是否需要卸荷結構的判斷依據，并介紹了加工中心主軸軸承常見的卸荷結構。

1 加工中心主軸的松拉刀系統

加工中心主軸的松拉刀系統如圖1所示，刀柄、轉軸、碟簧組、拉桿、活塞、油缸共同構成加工中心主軸的松拉刀系統。主軸運轉時刀柄處于拉緊狀態（拉刀），通過拉桿壓縮碟簧產生拉刀力拉緊刀柄，該力為轉軸與拉桿之間的內力，未作用在軸承上，拉刀力大小與所使用刀柄有關，一般取5～15 kN。當主軸進行換刀時，油缸推動活塞向左運動，通過拉桿壓縮碟簧，然后刀柄與轉軸脫離實現換刀（松刀），該過程中活塞力直接作用在拉桿上，并通過碟簧傳遞到轉軸，若該力直接作用在軸承上會對軸承產生一定的沖擊，活塞推動拉桿的力稱為松刀力，松刀力需比拉刀力大才能夠進一步壓縮碟簧，一般為8～20 kN。

圖1 加工中心主軸的松拉刀系統Fig.1 Broading and loosening system for spindle in machining center

加工中心主軸由于帶有自動換刀系統，進行松刀時會對轉軸產生較大的沖擊載荷，該載荷為松刀力，有時也稱為反向軸向力。在進行軸系設計時需根據軸承的配置情況對軸承進行受力分析，判斷軸承是否需要卸荷結構。

2 判斷軸承是否需要卸荷結構的依據

加工中心主軸在工作時主要承受徑向載荷，也可承受軸向載荷，其軸承預緊方式有彈性預緊和剛性預緊2種。

對于高速加工中心主軸，其軸承一般為DT配置，采用彈性預緊，預緊結構如圖2所示。該主軸結構僅能承受一個方向的軸向力，轉軸受到松刀力時由于沒有軸承承受反向軸向力，轉軸會沿著松刀力方向移動，進而壓縮彈簧，由于彈簧剛度相對于松刀力較小，整個轉軸位移很大，會使得前面2套軸承脫套，從而損壞軸承。故該類結構主軸在進行軸系設計時需增加軸承卸荷結構。

圖2 彈性預緊軸系結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of elastic preloaded shafting

對于高剛性加工中心主軸，一般其軸承配置前端為固定端，采用剛性預緊，常見配置為QBC，后端為浮動端，一般為DB配置，起輔助支承作用，結構如圖3所示。該類主軸結構可以承受2個方向的軸向力，主軸進行松刀時前端4套軸承有2套可以承受該反向軸向力，該組軸承是否能承受松刀力需要進行判斷。若不能，則需增加軸向卸荷結構。

圖3 剛性預緊軸系結構示意圖Fig.3 Schematic diagram of rigid preloaded shafting

對于角接觸球軸承，均存在一個靜載安全系數（軸承或軸承組的額定靜載荷與當量動載荷的比值），當靜載安全系數大于許用值時，軸承具有一定的可靠性。對于高速精密軸承，不同軸承廠家給出的許用值不同，一般取2～4。靜載安全系數fs為

式中：i為軸承套數；C0為額定靜載荷；P0為當量靜載荷；X0，Y0的值見表 1[2]；Fr為徑向載荷；Fa為軸向載荷。

3 常見的卸荷結構

對于彈性預緊結構，其軸承損壞原因主要為松刀力使主軸產生位移，進而引起軸承脫套，該結構需采取限制位移的結構，如圖4所示。在轉軸后端安裝卸荷壓蓋，裝配時控制后蓋與卸荷壓蓋的間隙x，主軸松刀時，松刀力作用在拉桿上，通過碟簧將力傳遞到轉軸上，卸荷壓蓋和轉軸一起產生位移，當移動距離x之后，后蓋與卸荷壓蓋端面接觸，由于后蓋固定在殼體上，轉軸將停止移動，松刀力會通過拉桿繼續壓縮碟簧。通過該方法能夠有效限制轉軸的軸向移動，起保護軸承作用。軸承供應商會提供間隙x，不同廠家x取值不同，一般為0.05～0.20 mm。

圖4 彈性預緊軸承卸荷結構示意圖Fig.4 Unloading structure diagram of elastic preloaded bearing

對于剛性預緊結構，其軸承損壞原因主要為載荷過大，常采用浮動缸的方法來限制載荷。浮動缸是指缸體在工作過程中可以左右移動[3]，其結構如圖5所示。液壓油（或壓縮空氣）從圖中箭頭方向進入缸體，浮動缸體右移，在消除與卸荷后蓋的間隙x后，活塞繼續左移，與拉桿接觸，這樣松刀力只作用在碟簧上，軸承不會承受額外的力，達到軸承卸荷目的。當轉軸運轉時，浮動缸體與活塞均與轉軸脫開，不影響轉軸正常運轉，該浮動缸結構在加工中心上應用廣泛。

圖5 浮動缸卸荷結構示意圖Fig.5 Unloading structure diagram of floating cylinder

4 實例分析

在設計圖3所示加工中心主軸結構時，主軸軸承為剛性預緊，主軸前端接口為BT50刀柄，主軸設計時拉刀力為15 kN，松刀力20 kN，主軸前端軸承為7020AC/P4 QBCB，接觸角為25°，軸承廠家提供的單套軸承額定靜載荷C0＝98kN，軸承靜載安全系數許用值為3。

主軸軸承QBC配置屬于O型配置，松刀時軸向力Fa＝20 kN，徑向力 Fr＝0，查表1可得 X0＝1，Y0＝0.76，則由（1），（2）式可得 fs＝25.79＞3，滿足要求。

表1 系數X0和Y0Tab.1 Coefficients X0 and Y0

5 結束語

針對加工中心主軸的松拉刀系統松、拉刀時可能損壞軸承的問題，闡述了軸承是否需要卸荷結構的判斷依據，并介紹了加工中心主軸常見的卸荷結構。可為該類軸承的設計提供參考。