動壓軸承在磨床主軸系統中的開發與運用研究

張強，陳錦麟，湯田，江灝源

（云南機電職業技術學院，云南 昆明 650203）

磨床的磨削精度和性能是整機各零部件優化匹配的綜合結果，而主軸則是保證磨床加工精度和粗糙度的最關鍵功能部件，其作用和地位尤為重要。在磨床生產中運用較廣的主軸軸承類型主要有單油楔結構動壓軸承和多瓦式調位多油楔向心動壓軸承，但其二者精度和性能越來越難以滿足磨床的總體發展趨勢需要，特別是難以滿足大型龍門平磨，導軌磨的精度和性能要求。因此，近年來先后開發了整體彈性變形動壓軸承和多瓦式調位動壓軸承，實踐證明，特別是新研發的多瓦式調位軸承設計結構優良，性能及經濟效益好，使整機匹配優化，提高了磨床的磨削精度和性能。

1 動壓軸承的基本原理

動壓軸承按潤滑劑不同分為液體動壓軸承和氣體動壓軸承，在磨床的生產中常用多油楔液體動壓軸承來支撐主軸。動壓軸承是靠主軸以足夠的角速度ω（軸頸線速度不小于6米/秒）旋轉，將一定黏度的潤滑劑帶入收斂的多油楔中，潤滑劑在收斂的楔形間隙中流動，由于油層間的剪切應力作用，產生流體動力，使相對運動的兩表面被油膜隔離，形成純液體摩擦，同時承受載荷。動壓軸承具有結構簡單、運轉平穩、抗振阻尼好、噪聲小，應用滑動軸承的主軸系統具有強度和剛度大，承載能力高和使用壽命長等特點，所以動壓軸承被廣泛應用于磨床主軸設計中。

2 磨床主軸常用軸承的性能比較

由于磨床主軸在工作過程中是恒速旋轉，動載荷是基本恒定的中、輕載荷，但其對旋轉精度、徑向跳動及軸向竄動要求較高。表1是磨床主軸常用軸承的性能比較，通過對比和分析可得出動壓滑動軸承的使用成本價格適中，且其特點及性能已完全可以滿足磨床主軸的性能要求。因此，在設計結構合理的情況下，運用動壓軸承來支撐磨床主軸可以較好地提升磨床性能，具有較高的性價比。

表1 常用軸承性能比較

3 動壓軸承在磨床主軸系統中的開發與應用

目前國內比較知名的磨床廠家有上海機床廠、云南磨床廠、杭州機床股份有限公司等幾家公司，這些廠家在生產平面磨床主軸時常用的動壓軸承有單油楔整體軸承、多瓦式調位多油楔向心軸承（簡稱短三瓦軸承）和整體彈性變形軸承三種，用量較大，使用效果良好。但這三種軸承都存在不同方面缺陷問題，自身缺陷制約了這三種軸承在大型龍門平磨和導軌磨生產領域的進一步推廣及使用。為解決該問題，滿足大型磨床的性能需求，最新自主研發了多瓦式調位軸承，該軸承是目前國內最先進的動壓軸承之一，性能優越，目前已正式用于云南磨床廠實際生產龍門導軌磨床和高精密平面磨床之中，且使用效果很好，本文將重點介紹。下面對這四種磨床主軸常用動壓軸承的結構及性能特點做分析介紹。

3.1 單油楔整體軸承

單油楔整體軸承如圖1所示，常運用于平面磨床（如MY7130、MY7132A、YM-7180等系列型號）的主軸系統生產，其特點是結構簡單，工作時在徑向力的作用下，主軸對于軸承孔產生一定偏移量而實現油楔和承載油膜。但其軸心軌跡不穩定，旋轉精度低，承載能力差，高速時有油膜震蕩現象，只適合低轉速應用場合。

圖1 單油楔整體軸承

3.2 多瓦式調位多油楔向心軸承（短三瓦軸承）

多瓦式調位多油楔向心軸承如圖2所示，常運用于普通外圓磨床、萬能磨床、無心磨床的主軸系統生產，其特點是軸瓦由三個球頭螺釘支承在24°30'位置上，包括0.75～0.8的長徑比，以上數值是通過雷諾方程嚴密計算而來。其優點是可以在軸的旋轉平面內自動調位，還可以在軸向平面自動調位，從而消除加工誤差和零件變形帶來的影響，其間隙可調到0.01～0.02mm，具有較高旋轉精度、油膜剛性好、承載能力強。缺點是球頭螺釘接觸剛性差、間隙調整會對旋轉精度、油膜剛性及承載能力造成影響。軸承使用ZQPb30銅鉛合金離心澆注，機體材料為低碳鋼15或20鋼，不易進行熱處理來提高與球頭接觸剛性，耐磨性和精度穩定性差。

圖2 短三瓦軸承

3.3 整體彈性變形軸承

整體彈性變形軸承如圖3所示，常運用于高精密萬能外圓磨床（如上海機床廠MG1420系列）和龍門導軌磨床（如云南磨床廠MK2212，MK3012系列）的主軸系統生產。整體彈性變形軸承為園弧曲線油槽，經設計及調整后造就了五油隙收斂型油楔結構。徑向間隙是通過調節螺母使軸瓦軸向位移，通過軸承外徑1：12背錐配合，產生微量變形實現，形成復合型油楔，間隙可調到0.008mm，具有較高旋轉精度、油膜剛性、承載力高。其缺點一是有背錐配合要求，生產工藝難度大，加工精度要求較高，制造生產困難。二是長徑比小，因而能力不大。

圖3 整體彈性變形軸承

3.4 多瓦式調位軸承

最新研發的多瓦式調位軸承如圖4所示，該軸承已實際用于云南磨床廠生產MK2212、MK3012的龍門導軌磨床和MG7160高精密平面磨床，且使用效果很好。多瓦式調位軸承綜合了前三種動壓軸承的優點，主要解決了以下三方面的問題：一是單油楔整體軸承的軸心軌跡不穩定，旋轉精度低，高速時油膜震蕩問題。二是多瓦式調位多油楔向心軸承的球頭螺釘接觸剛性差，從而對主軸系統剛性和回轉精度造成影響的問題。三是整體彈性變形軸承的加工及裝配精度要求較高，制造較為復雜，長徑比小，因而能力不大的問題。多瓦式調位軸承具備特點如下。

圖4 多瓦式調位軸承

（1）采用圖4所示球頭螺釘支承的結構，軸承不僅可以實現軸的旋轉平面內調位，還可以軸向平面自動調位，支承及軸承套淬火硬度可達HRC50，提高了主軸接觸剛性，耐磨性和精度穩定性。

（2）采用碟型彈簧理論計算予緊，有效提高油膜剛性，解決了以往動壓軸承剛性不易檢測、評估的問題?，F在通過調整計算好碟型彈簧予緊，基本可以確定軸承剛性，其予緊力是切削力的20～30倍。

（3）軸承采用ZQPb30銅鉛合金材料，該材料具有塑性、順應性、嵌藏性、跑合性、減摩性、耐磨性、耐腐蝕性、潤滑性能和熱學性質（傳熱性及熱膨脹性），可有效保護造價高的主軸。

實踐證明，多瓦式調位軸承的結構集中了多種動壓軸承的優點，油膜剛性強、承載能力大，徑向間隙可達0.005mm，加工粗糙度Ra0.025μm，磨床精度等級達到了IT2級，性能可靠，磨削效率高，溫升在15°左右，不需加裝靜壓軸承所需的溫控裝置，成本大約是同類靜壓軸承價格的1/5左右，現已成功運用于磨床的實際生產中。

4 在磨床主軸系統中運用動壓軸承的性能對比

由于動壓軸承具有剛性好、精度保持性好、載荷能力強、功率損失小、經濟性好等特點，所以大多數磨床廠家在生產磨床時都比較青睞使用動壓軸承。本文中介紹的4種動壓軸承在實際的磨床主軸生產中也得到實際運用，不同動壓軸承在磨床主軸系統中運用的性能對比如表2所示。將表2數據進行對比、分析得出，在磨床主軸系統中運用最新自主研發的多瓦式調位軸承可明顯提升主軸的性能、降低生產成本。

表2 主軸性能比較

5 結語

綜上所述，動壓軸承研發與運用是提高磨床主軸整體性能的關鍵所在，當今國內外的很多磨床生產企業都很注重動壓軸承的研發與運用，并將其廣泛應用于磨床主軸的實際生產中。動壓軸承在磨床主軸中的運用大大提高了磨床的磨削精度，同時降低了生產成本，性價比高，更進一步滿足了磨床大型、精密、復合、高效的總體發展要求。