考慮多影響因素精密機床主軸軸承試驗臺研制*

王鐵映，朱 強，袁 峰，秦東晨

(鄭州大學機械與動力工程學院，鄭州 450001)

0 引言

隨著精密機床主軸向著高精度、高效率等方向發展，精密機床主軸關鍵部件—軸承直接影響著機床主軸的加工精度、加工零件表面的質量、振動等。因此，對精密機床主軸軸承提出了更高的要求。為了對主軸軸承的影響因素提供相關實驗數據的支持，對精密機床主軸軸承進行試驗臺架的設計以及試驗研究必不可少。目前有關精密機床主軸軸承試驗研究的報道不少，但是大多數研究僅僅存在于單一工況，如可變預緊力、轉速、外載荷等條件，文獻[1]提出了一種偏心型預緊機構；文獻[2]研制了預緊力可智能控制高速加工電主軸，并研究了預緊力對主軸剛度的影響；文獻[3]基于壓電陶瓷的電主軸軸承預緊可調節裝置進行研究。把多因素合并考慮并進行試驗臺設計與試驗研究的情況少見于報道。鑒于此，通過模擬精密機床主軸的實際運行工況，本文研制了一臺精密機床主軸軸承試驗臺，該試驗臺能夠在不同預緊力、轉速、外載荷、軸承安裝方式等工況條件下，對影響主軸軸承精度保持性的原因進行試驗探究。

1 試驗臺主要技術要求

根據精密機床主軸軸承實際運行工況，試驗臺應滿足如下技術要求：被測試的軸承型號為滾動軸承7006C(p4精度)，內徑為30 mm，外徑為55 mm；主軸轉速可調節范圍為200～5600 r/min；轉速的大小可以通過變頻器控制；最大徑向載荷為300 N、最大軸向載荷為200 N并且連續可調；對機床主軸軸承施加預緊力調節范圍為200～1500 N；軸承的潤滑方式采用脂潤滑的形式，采用水冷卻系統對試驗臺進行循環冷卻。同時，本試驗臺還可以實現二聯成對軸承“背對背”以及“面對面”的安裝方式，系統可以在線監控軸承的工作狀態，控制各項參數[4-5]。

2 試驗臺技術方案

2.1 主體結構

試驗臺總體尺寸長1100 mm×380 mm×250 mm，由試驗臺主體、驅動系統、冷卻系統、預緊力控制系統以及外載荷作用系統等組成(見圖1)。試驗臺主體主要由試驗主軸、試驗軸承、加載軸承、套筒、箱體基座等組成[6-7]。為了模擬機床主軸真實運行工況，試驗臺設計成如機床主軸形式，最前端為外加載荷作用的加載軸承，兩對測試軸承位于試驗臺箱體內部，試驗臺徑向切削加載原理如圖2所示。

1.壓電加載組件 2.加載頭組件 3.冷卻循環水槽 4.主軸前端被測軸承 5.預緊壓電加載組件 6.箱體基座 7.主軸后端被測軸承 8.電機圖1 試驗臺結構圖

圖2 試驗臺徑向切削加載原理圖

在加載端受徑向切削力最大為300 N，算得FA=300 N，FB=403 N,FC=103 N；其中,FA為最大徑向切削力；FB、FC為基座的作用反力。

2.2 預緊力及外載荷的施加

常用外加載荷方式有機械加載、液壓加載、電加載等方式。機械加載結構簡單、成本低，但如果軸承運行時間長且運行過程中載荷經常發生變化，機械加載則很難實現連續加載和自動加載。液壓加載以電機作為動力源，控制閥門的變化來改變液壓油流動的大小和方向，達到加載的目的。液壓加載連續性和自動性較好，但是也面臨著維修維護困難、使用不方便、油液滲漏等缺點。

本試驗臺采用封裝型壓電陶瓷電力加載的形式，對精密機床主軸進行預緊力的調節以及外加載荷的施加。預緊力調節端通過采用沿軸向對稱分布的三個封裝型壓電陶瓷(型號pst150/40 /vs10)對機床主軸進行可變預緊力的調節；加載端同樣采用封裝型壓電陶瓷(型號為pst150/40/vs15)，徑向、軸向各用一個封裝型壓電陶瓷進行可變外載荷的施加。預緊以及加載端的壓電陶瓷共用一套壓電陶瓷驅動電源驅動(見圖3)。

圖3 壓電陶瓷預緊力加載示意圖

2.3 主軸軸承安裝方式

機床主軸按照軸承的類型可以分為滾動軸承、液體軸承、氣體軸承和磁懸浮軸承等類型。其中，角接觸滾動軸承具有高精度、高極限轉速、以及可以同時承受軸向以及徑向載荷等眾多的優良特性，被廣泛應用于機床主軸軸承的支撐[8]。高速機床主軸軸承配置方式有多種，例如單列、二聯、三聯。為了提高主軸的旋轉精度以及剛度，常用二聯中成對串聯的安裝方式，二聯成對串聯有背對背(DB)和面對面(DF)(見圖4)的方式。軸承配置方式的選定對主軸整體的性能有著重要的影響。本試驗臺可以從不同的安裝方式對機床主軸軸承性能影響的作用規律展開試驗研究[9]。

圖4 成對串聯軸承安裝形式

2.4 數據采集及控制系統

試驗所需采集的數據有：試驗臺主軸的轉速、預緊載荷以及外載荷的大小、主軸的振動、軸向跳動、以及主軸軸承的溫升。這些數據由相應的傳感器經LMS采集系統送入計算機，并進行數據的處理與顯示。為測量軸承的溫度與振動，采用鉑電阻溫度傳感器以及加速度振動傳感器。溫度傳感器安裝在箱體和套筒合并加工的孔中，方向與豎直方向呈20°夾角，緊貼于軸承外圈。為測量主軸的轉速和徑向、軸向跳動，采用電渦流轉速以及電渦流振動傳感器；為測量壓電軸承預緊力以及徑向、軸向載荷的大小，采用微型的壓力傳感器。試驗臺整體控制由LMS控制系統、變頻調速系統、壓電加載控制系統以及冷卻循環系統組成(見圖5)。

圖5 電氣控制系統結構框圖

3 試驗臺關鍵零部件有限元分析

3.1 軸承剛度的理論計算

在預緊力F作用下，角接觸軸承預緊之后的接觸角α與預緊前接觸角α0之間的關系為：

(1)

本文主軸采用的是滾動軸承7006C，初始接觸角為15°，α可以根據相關參數求解算出[10]。再通過式(2)、式(3)算出軸承的軸向剛度kα和徑向剛度kr：

(2)

(3)

Fa=1.22Frtanα

(4)

利用MATLAB編寫相關的程序，計算出在不同的預緊力作用下軸承的軸向剛度和徑向剛度。如圖6所示，軸承的軸向剛度和徑向剛度，隨著軸承預緊力的增加而增加。

圖6 預緊力與軸承剛度的關系

3.2 軸系模型的建立及模態分析

求得軸承預緊力和主軸軸承剛度關系之后，利用ANSYS Workbench 對軸系進行建模仿真計算。ANSYS中，通常將軸承模擬成彈簧單元，在兩端軸承安裝處徑向、軸向支撐處均簡化成4個支撐的彈簧單元。根據軸承在不同預緊力下所計算的剛度值，設置好后進行網格劃分如圖7所示。

圖7 軸系有限元模型

3.3 固有頻率分析

在不同預緊力作用下軸承具有不同的軸向和徑向剛度，進而對軸系固有頻率有不同的影響。首先，計算出軸承在不同預緊力下軸承徑向剛度和軸向剛度的值，再利用有限元軟件計算出不同預緊力條件下軸系的固有頻率。如圖8所示，軸系的一階頻率隨著軸承預緊力的增大而增大。從而得出，隨著軸承預緊力的增大，軸系的固有頻率增大，為主軸臨界轉速的分析和預緊力大小的選擇，提供一定的理論支持。

圖8 預緊力與主軸一階固有頻率的關系

3.4 基座零部件應力仿真

在ANSYS中，對套筒和箱體進行整體分析。對箱體和套筒連接面進行固定約束，受載體材料選用45鋼，材料密度ρ=7850 kg/m3，彈性模量E=2×1011Pa，泊松比為μ=0.3。在SolidWorks建立三維模型，并導入到ANSYS Workbench當中，定義材料屬性、劃分網格。并根據實際情況，對基座和套筒施加載荷和約束條件，基座和套筒通過螺栓連接，接觸面施加綁定約束，基座底面施加固定約束[11]。主軸在切削中主要外載荷是切屑力，基座套筒變形也主要發生在徑向。因此，在套筒內圈沿著徑向對前套筒和后套筒內部分別施加403 N和103 N的徑向軸承載荷，添加完載荷之后，根據需求，在求解結果中添加應力、變形的求解，求得結果如圖9、圖10所示。

圖9 基座套筒受載應力分布圖

圖10 基座套筒受載變形分布圖

由圖可知，最大的應力應變，發生在套筒承載區的邊緣，最大應力為0.336 MPa，遠小于抗拉和屈服強度；最大的變形量為0.000 26 mm?；鶅蓤A孔的的圓柱度為5 μm；基座和套筒內孔的圓跳動為5 μm、圓度為2 μm、內孔表面粗糙度為0.4Ra,其余表面為1.6Ra；套筒和基座采用H4/g4間隙配合的形式，裝配在無塵、恒溫的條件下進行。參照機床設計手冊[12]，符合精密級機床床身設計要求。

4 結束語

本文設計了一種多工況精密機床主軸軸承試驗臺，該試驗臺可模擬機床主軸實際運行工況，進行可變外載荷、可變預緊力、可變主軸軸承安裝方式、可變轉速等條件下的試驗。試驗過程中，轉速可以通過變頻器進行無級調節；預緊力和外載荷的大小通過壓電陶瓷驅動電源進行調節。此外，對試驗臺主軸以及支座進行了仿真分析，結果均滿足設計要求。該試驗臺設計合理，達到了預期的設計目的，可為不同工況精密機床主軸軸承提供有利的實驗測試和數據支持。