國內外機床主軸用脂潤滑角接觸球軸承應用性能對比試驗

彭秋陽, 雷群

(廣州市昊志機電股份有限公司, 廣州 510000)

為滿足加工性能、效率和可靠性的需求,高性能機床對主軸的精度、熱穩定性、剛度、抗振性及可靠性(包括裝配性與維修性)提出了較高要求[1-2]。軸承作為主軸的支承件,其性能對主軸性能的影響很大[3]。國內軸承的精度和可靠性與國外軸承相比存在一定差距[4-5],機床主軸軸承長期依賴進口,而國內軸承則多用于維修或低價值領域[6]。國產金屬切削機床的低速主軸已大量使用國內滾子軸承,而國產加工中心主軸則多用國外角接觸球軸承。

由于國外軸承價格及交付周期存在劣勢,限制了其快速響應市場及客戶差異化的需求,為替代國外軸承,國內對軸承的設計制造和裝配應用進行了相關研究[7-16]。文獻[10]指出其研制的機床主軸軸承(陶瓷球混合軸承7008C和7014C)公差等級已達P2級。文獻[11-16]分析了軸承安裝配合對整機性能的影響,但缺乏國內外軸承裝機性能對比數據和國內軸承應用案例,從而限制了國內軸承在機床主軸上的推廣應用。

本文以需求量較大而國產化程度較低的脂潤滑角接觸球軸承(GCr15套圈、陶瓷球)為研究對象,設計了主軸軸承應用性能對比試驗:通過套圈圓度和波紋度檢測評估裝配性,通過裝機后進行主軸臺架試驗評估精度、靜剛度、溫升,通過機床切削試驗評估抗振性,通過主軸臺架運轉測試和發貨跟蹤評估可靠性。

1 試驗

1.1 試驗軸承及主軸

以帶密封圈的脂潤滑角接觸球軸承7014為研究對象,選擇4個品牌軸承進行對比試驗,A,B為國外軸承,有加工中心主軸應用案例,C,D為國內軸承,各品牌軸承參數見表1。

表1 試驗軸承參數

對比試驗時選擇加工中心850/866機型配備的機械主軸,刀柄接口為BT40,主軸常用轉速小于10 000 r/min,主軸裝有4套軸承,背靠背配置,前后軸承采用隔套定位預緊。試驗主軸結構如圖1所示。

1—下端蓋;2—主軸機座;3—外圈隔套;4—內圈隔套;5—軸承;6—芯軸。

1.2 主軸軸承應用性能對比試驗

1.2.1 軸承裝配性

軸承裝配時先將內圈加熱,脹大后套上芯軸,因此內圈圓度和波紋度誤差對裝機影響不大;待冷卻后再將安裝好的主軸單元裝入機座(機體和軸承座一體結構),并鎖端蓋壓住軸承外圈,為能順利裝入機座,要求軸承外圈和機座內孔留有一定的間隙(外圈負公差,機座內孔正公差)。機座內孔的圓度誤差導致內孔的貼合包容邊界比設計尺寸要小,而軸承外圈的貼合包容邊界比設計尺寸稍大,使實際間隙比理想值小,從而影響裝配精度。波紋度也具有同樣的影響。

由圓度和波紋度誤差評定定義可知,在不考慮相位影響的前提下,軸承外圈與機座內孔雙邊最小間隙G為

G=dh-εh-Dr-εr,

(1)

式中:dh為機座內孔尺寸誤差;εh為機座內孔圓度和波紋度總誤差;Dr為外圈外徑尺寸誤差;εr為外圈圓度和波紋度總誤差。

使用千分表測量軸承套圈外徑尺寸,使用搖表測量機座內孔尺寸;使用泰勒圓度儀依據GB/T 32324—2015《滾動軸承 圓度和波紋度誤差測量及評定方法》檢測圓度和波紋度誤差。

完成軸承套圈和機座內孔檢測后,使用(1)式評估裝配間隙是否過小,以免影響主軸裝配;再將單一軸承放入機座驗證對裝配的影響,要求外圈與機座內孔無卡滯時才能裝上芯軸。

1.2.2 裝機后主軸精度

主軸精度是影響機床加工精度的重要因素之一,本文通過臺架測試主軸精度(主軸錐孔靜態精度和主軸非同步運動誤差),以評估不同軸承的影響。

JB/T 10801.2—2007《電主軸 第2部分:加工中心用電主軸 技術條件》規定了錐孔精度的測試方法,在空載和手轉的條件下,靠近主軸端部位置處的測試棒徑向跳動要求不超過3 μm,為保障主軸精度需采用高精度的軸承[1]。目前主軸常用P4級精密軸承(部分軸承公差精度達到P2,對軸承7014,要求徑向跳動不大于2 μm)。組配軸承可確保主軸比單套軸承有更高的精度[1],目前軸承一般能滿足主軸錐孔的精度要求,其不足以評估不同品牌軸承的性能差距,因此還需測試主軸動態精度。

主軸動態精度測試有2個評價體系:1)軸心軌跡評價體系,主要評價參數為重復性跳動和非重復性跳動,非重復跳動與軸承套圈安裝偏斜、套圈和球制造誤差、保持架高速離心力均有關[17-18];2)運動誤差評價體系,主要評價參數為同步運動誤差和非同步運動誤差,非同步運動誤差反應了主軸動態誤差的非周期性[19]。

本文采用文獻[1]的標準球法,在軸端裝測試棒,使用單個電容式位移傳感器檢測測試棒的徑向跳動, 參考GB/T 17421.7—2016《機床檢驗通則 第7部分:回轉軸線的幾何精度》評估單點非同步回轉誤差。因文獻[9]提及了軸承滾道制造誤差階次影響旋轉精度,本文除非同步誤差外,也展示了全跳動信號進行傅里葉階次分析的結果,以從整數倍頻分量中評估軸承制造精度對旋轉精度的影響,并從保持架頻率分量(頻率約為轉頻一半)評估不同軸承保持架對旋轉精度的影響。

1.2.3 主軸靜剛度

主軸靜剛度指在靜態載荷作用下主軸抵抗變形的能力,與軸承剛度、前后軸承跨距有關,主軸靜剛度一般要求大于100 N/μm[2]。靜剛度通常以主軸前端產生單位位移(以撓度來度量)時,用加載工裝在位移方向上需要施加的作用力表示,主軸靜剛度越大端部變形越小。靜剛度分為徑向剛度和軸向剛度,徑向剛度是衡量主軸單元剛度的重要指標,本文采用臺架試驗測試徑向靜剛度。

參考GB/T 23567.1—2009《數控機床可靠性評定 第1部分:總則》和JB/T 10801.2—2007對主軸進行徑向靜剛度測試。通過在軸端拉刀柄上施加徑向力檢測該刀柄徑向位移的方式,評估裝機后軸端的徑向靜剛度。考慮到定位預緊在主軸運轉發熱后會導致剛度降低[20],為更全面評估不同軸承的影響,除檢測冷態徑向靜剛度外,還對運轉溫度穩定后的熱態徑向靜剛度進行檢測。

1.2.4 主軸溫升

溫升會引起軸承預緊及機床頭架熱變形[1]。溫升試驗參考JB/T 8801—2017《加工中心 技術條件》標準,該標準要求最高速時的溫度穩定后不超過60 ℃且溫升不超過30 ℃。在10 000 r/min運轉1 h使主軸軸承達到熱穩定后,記錄環境溫度,使用福祿克萬用表和熱電偶檢測機座外殼靠近軸承外圈處的溫度。

1.2.5 主軸抗振性

振動是設備性能的關鍵指標,通常將振動作為質量管控的措施。軸承選型、制造及安裝都會影響主軸的振動,而負載振動更會影響加工工件的精度和表面粗糙度[2]。振動試驗采用機床實際加工時測量機座表面徑向振動的方式進行評估。加工試驗參考GB/T 23567.2—2018《數控機床可靠性評定 第2部分:加工中心》進行,在866型機床上試切,切削功率為驅動電動機功率的一半,使用壓電陶瓷加速度傳感器采集機座外殼靠近軸承外圈的徑向振動加速度。

1.2.6 主軸可靠性

可靠性是國內軸承獲得市場最終認可的關鍵指標,也是最難驗證的性能指標。可靠性評估指標(如平均無故障時間)依賴于一定數量的產品裝機使用后長期跟蹤出現故障的數據,僅通過加載加速壽命試驗難以準確反映用戶實際工況,無法獲取足夠的試驗數據。

根據可靠性浴盆曲線理論,產品初試若未發現異常,則長期使用時出現大比例異常的風險較低。對材料、設計和制造都得到優化的現代精密軸承而言,在載荷不超過套圈材料疲勞極限時軸承理論壽命非常長[3],軸承供應商指出球與溝道接觸應力要小于2 000 MPa,油脂潤滑軸承壽命還需考慮油脂老化問題。因此可靠性試驗為:由軸承制造商計算陶瓷球與溝道接觸應力,評估疲勞損壞風險,并進行定時長加載試驗,若無異常再小批裝機、跟蹤軸承故障情況,以平衡試驗效率與風險。

參考GB/T 23567.2—2018進行加載試驗,在主軸端部徑向加載運轉200 h,進行短期試驗排查是否有質量問題。加載試驗設備示意圖如圖2所示,在與芯軸錐孔接觸的加載刀柄外增加加載軸承,使軸承內圈與刀柄連接,外圈與加載機座連接。

1—主軸機座;2—主軸機座抱夾;3—加載機座;4—加載刀柄;5—加載軸承;6—螺桿;7—載荷傳感器。

使用螺桿對機座施加徑向載荷,通過加載軸承傳遞到加載刀柄,進而傳遞到芯軸和軸承上,通過螺桿下方的載荷傳感器采集施加的徑向載荷,實現了在運轉的同時加載(轉速可單獨使用光電式轉速計確認)。

機床主軸高速角接觸球軸承的技術難點為精度保持性(指在一定工作條件下精度保持在某一精度等級的能力[1])和壽命可靠性[2],試驗時觀察運轉過程中溫度和試驗后錐孔精度有無變化,并在試驗后拆解軸承并檢查溝道進一步確認是否有異常。

前述試驗未見異常后進行小批裝機驗證,在主軸使用時間超過2 000 h后,關注有無因軸承質量因素導致的故障。

2 試驗結果

2.1 軸承裝機過程的裝配性

選擇4種品牌軸承內、外圈尺寸偏差分別為-2,-4 μm(標記結果)的樣本各2套進行尺寸偏差檢測,檢測結果與標記結果一致;2個芯軸的上下軸承安裝位尺寸偏差標記相同均為+2 μm,尺寸偏差檢測結果與標記結果一致;2個機座的內孔實測均存在喇叭形的尺寸收縮,靠刀柄端在下軸承處孔口尺寸偏差+2 μm,中間段尺寸偏差+1 μm,遠離刀柄的上軸承處的尺寸偏差為0。

4種品牌各2套軸承套圈和2個待裝機試驗機座內孔的圓度和波紋度總誤差見表2和表3。

表2 內圈內壁和外圈外壁圓度和波紋度總誤差

表3 機座內孔圓度和波紋度總誤差

將上述數據代入(1)式,不同機座與不同軸承組合的最小間隙見表4:機座1與品牌D軸承組合時理論間隙最小,預估該組合會出現安裝卡滯現象。

表4 不同零件組合的配合間隙評估

將上述軸承直接套入機座內孔進行預裝驗證,J1+D2組合存在明顯的卡滯(手感)現象,不能順利滑入機座底部。取出軸承后發現機座內孔與軸承外圈存在明顯劃痕,如圖3所示,其余組合均能將軸承裝入機座底部。試驗結果表明,品牌D軸承套圈圓度和波紋度的一致性較差,對機座的制造精度提出了更高要求。

(a) J1機座內孔

2.2 主軸精度

軸承裝機后測試主軸錐孔精度,發現不同品牌軸承在裝機后均能達到錐孔精度要求,測試棒徑向跳動均不大于2 μm,表明國內軸承可滿足加工中心機械主軸精度設計需求。

對裝機后的主軸進行動態精度檢測,為提高精度評估有效性只列出750 r/min的結果,由表5可知:國內軸承裝機樣本保持架的倍頻和2倍頻比國外軸承的高,結合之前品牌D軸承在裝配性試驗時表現較差的結果看,應是軸承本身精度對主軸旋轉精度有影響;不同品牌軸承測得的3倍頻、4倍頻差別不大,分析其主要原因為測試棒制造誤差;國內軸承的非同步運動誤差整體比國外軸承的高;品牌C軸承動態精度優于品牌D軸承,而2套國外軸承的一致性更好。

表5 整機動態精度

國內軸承主軸錐孔精度與國外軸承相當,非同步運動誤差和保持架振動與國外軸承有一定的差距,對于加工中心主軸來說,必須保證錐孔精度,而非同步運動誤差要求沒有磨床頭架主軸等產品要求高,與已批量用于加工中心主軸的國外軸承相比,國內軸承動態精度差距不大,認為國內軸承可滿足試驗主軸的精度要求(動態精度目前沒有統一標準,克林伯格磨床展會和宣傳樣冊的標稱精度為0.4 μm,直連主軸的要求偏低)。

2.3 主軸徑向靜剛度

主軸的徑向靜剛度見表6,熱態徑向剛度在轉速8 000 r/min,溫升穩定在(15±1)℃時測得,未選擇更高轉速的原因是高速均為輕載切削,熱態徑向剛度損失相對較少。國內軸承冷態徑向靜剛度略優于國外軸承,熱態徑向靜剛度差別不大,發熱后剛度損失比國外軸承的略大。

2.4 主軸溫升

溫升試驗(環境溫度22 ℃)的數據見表7,軸承溫升差別不大,符合最高溫升不大于30 ℃的標準要求。

2.5 主軸抗振性

抗振性試驗為加工過程中的振動測試。加工試驗采用Φ50 mm的四刃刀,刀尖距離軸端120 mm,加工材料為P20模具鋼,轉速為1 200 r/min,進給量為3 000 mm/min,切削深度為 0.8 mm,切削寬度為刀具直徑的60%,刀具供應商計算切削功率達5.8 kW,實際機床配置電動機功率為11.7 kW,機床數控系統顯示電動機負載比例42%(即4.9 kW),略低于理論計算值。加工后工件表面刀紋均未見明顯差異。

加工過程中機座的徑向振動速度值見表8,國內軸承加工振動更低,原因可能為球徑的差異,大球在大切削量重加工時抗振性更好。相同工況不同軸承整機振動的差異性說明本文試驗方案可有效區分不同品牌軸承切削抗振性。

表8 加工過程中機座的徑向振動

2.6 主軸可靠性

可靠性試驗包括理論校核、加載試驗和裝機應用。軸承供應商計算的12 000 r/min時空載(工況1),1 200 r/min時軸端受載1 840 N(工況2),3 000 r/min時軸端受載3 000 N(工況3)對應的球與溝道最大接觸應力見表9。12 000 r/min時空載的原因是在常用轉速極限之上增加2 000 r/min以驗證高速穩定性;1 200 r/min受力1 840 N為對應本文切削抗振試驗工況;3 000 r/min受力3 000 N為本文加載試驗工況。雖然并非全部供應商都能提供校核支持,但2種國內軸承球徑一樣,故認為2種國內軸承都可滿足接觸應力極限要求。

表9 不同工況下球與溝道的最大接觸應力

完成理論計算后進行加載試驗,對國內軸承C,D進行裝機。10 000 r/min空跑24 h,降低到3 000 r/min待溫度穩定后,在軸端徑向加載 3 000 N。3 000 r/min空載時溫升5 ℃,加載3 000 N后溫升4 ℃,加載狀態下運轉200 h溫升沒有突變,之后再次檢測錐孔精度,測試棒徑向跳動與初始狀態相同(均不大于2 μm)。試驗結束后陶瓷球和保持架形貌正常,溝道未變色,也未見快速磨損或剝落。

完成加載試驗后,對國內軸承C,D各裝機5支主軸進行應用跟蹤。主軸發貨9個月后未出現由于軸承問題引起的故障(假設每天開機12 h,扣除機床廠生產和周轉時間,使用時間按2 000 h評估),說明國內軸承可滿足試驗產品需求,也表明本文試驗方案可有效均衡試驗效率和質量風險。

2.7 小結

國內軸承的計算應力比國外軸承低,與球徑更大有關;加載試驗中均未發現快速損壞,結合應用試驗結果,說明國內2個品牌軸承均能滿足試驗主軸產品需求。

3 結論

設計了機床主軸軸承性能評估方案,對國內外4個品牌的角接觸球軸承7014進行了套圈圓度、波紋度測試,軸承裝機后的主軸臺架試驗及機床切削試驗,對比了不同品牌軸承的裝配性,裝機后主軸的精度、靜剛度、溫升、抗振性及可靠性,得到以下結論:

1)國內軸承受限于套圈圓度及波紋度,與國外軸承在裝配性上有一定差距。

2)國內軸承裝機后主軸的錐孔精度與國外軸承差別不明顯,非同步運動誤差和保持架振動有一定的差距。

3)國內軸承得益于試驗所選球徑更大,在主軸徑向靜剛度和抗振性上具有優勢,且溫升沒有因球徑更大而出現劣勢。

4)國內軸承在試驗中未見異常,主軸實際使用超過2 000 h后無軸承因素故障返修。

國內軸承的應用性能已達到或接近國外軸承,可滿足加工中心主軸需求。