數(shù)控車床主軸裝配工藝的研究

雷飛凌 楊傳啟

(①同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海200092;②德馬吉(上海)機(jī)床有限公司，上海201612)

國內(nèi)制造業(yè)的相對落后造成了目前的現(xiàn)狀:我國已經(jīng)是世界上最大的數(shù)控機(jī)床制造和消費(fèi)國，但是絕大部分機(jī)床制造商還在大量使用進(jìn)口主要零部件，其中轉(zhuǎn)速較高的機(jī)床主軸主要采用臺灣甚至歐美、日本等的進(jìn)口部件。當(dāng)然以洛陽軸承為主的國內(nèi)主軸生產(chǎn)商一直在努力研發(fā)和生產(chǎn)各類主軸，以期打造國內(nèi)品牌，搶占市場份額，但是效果一直不佳。有些國內(nèi)制造商在使用同樣的設(shè)計(jì)，甚至同樣零部件的前提下，依然無法達(dá)到進(jìn)口主軸同等的性能。針對這一現(xiàn)象，本文對主軸裝配的工藝進(jìn)行了深入研究，并提出了具體裝配要求，且在近千臺機(jī)床上得到了驗(yàn)證。

本文研究的主軸是某歐洲知名機(jī)床生產(chǎn)商沿用已久的設(shè)計(jì)，迄今已有近20年。但是前些年剛引入國內(nèi)后也頻頻出現(xiàn)問題，甚至于在機(jī)床還沒出廠時(shí)，軸承就異常磨損。在進(jìn)行深入分析研究后，全面改良了裝配工藝，并最終達(dá)到進(jìn)口主軸的同等品質(zhì)。如此簡單的設(shè)計(jì)，歷經(jīng)20年仍然活躍在這個(gè)技術(shù)不斷更新的時(shí)代而不顯得過時(shí)。究其原因:成熟簡單的設(shè)計(jì)保證了良好的裝配性;較易實(shí)現(xiàn)的零件精度要求又保證了零件的加工性;成熟的裝配工藝最終保證了該主軸良好的生命力。

1 主軸結(jié)構(gòu)簡介

圖1是某數(shù)控車削中心的主軸裝配簡化圖，圖中分別標(biāo)出了與其精度及壽命相關(guān)的主要零件。實(shí)際加工過程中前軸承會(huì)受到相應(yīng)的軸向力和徑向力，為保證主軸的精度，也為了保證足夠的剛性以抵御受力變形，前軸承5在壓蓋7、主軸3、隔套4以及主軸箱6的作用下處于完全緊固狀態(tài)。同時(shí)為避免主軸受熱伸長，后軸承僅僅內(nèi)圈緊固，軸承外圈可以隨著主軸的受熱伸長而沿著主軸箱內(nèi)孔前后游動(dòng)。

2 主軸裝配工藝研究

2.1 裝配前的準(zhǔn)備

2.1.1 相關(guān)零件的清潔、檢查

主軸及其相關(guān)零件都有較高的表面硬度，都有與軸承精度級別相適應(yīng)的幾何精度和表面粗糙度，因此，零件表面的毛刺、碰傷、凸點(diǎn)在裝配過程中或裝配后都可能直接反映到軸承滾道上，造成滾道的受損或變形，進(jìn)而損壞軸承的旋轉(zhuǎn)精度，甚至使用壽命。因此所有相關(guān)零件都應(yīng)逐個(gè)地清洗，并用油石或精細(xì)砂紙除盡存在的銳邊、毛刺、碰傷、凸點(diǎn)，所有安裝螺紋孔內(nèi)的雜質(zhì)清理干凈。為高效清潔且不產(chǎn)生二次污染，建議采用工業(yè)專用防銹潤滑清潔劑WD40、油石、無塵紙或無塵布等工具。為避免鐵性雜質(zhì)混入，經(jīng)過平面磨床加工過的鐵質(zhì)零件都應(yīng)該進(jìn)行退磁處理。另外為避免二次污染，清潔準(zhǔn)備區(qū)域必須與裝配區(qū)域有效隔離。

2.1.2 主要零件的尺寸、形狀誤差檢查

檢查并記錄主軸、主軸箱內(nèi)孔相關(guān)尺寸，并確保所有零件的尺寸公差、形位公差和表面粗糙度達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為保證最佳的主軸旋轉(zhuǎn)精度，測量并標(biāo)定主軸徑向跳動(dòng)最大位置。

主軸鎖緊螺母的壓緊端面與主軸螺紋的垂直度至關(guān)重要，可以通過與主軸配磨螺紋來實(shí)現(xiàn)，但是加工工藝復(fù)雜，成本高，且互換性小，目前已不再采納。因此需要檢查主軸螺母與主軸螺紋的配合間隙是否過緊，要確保有一定的間隙，以便在壓緊軸承時(shí)能自動(dòng)調(diào)位，以保證軸承受力均勻，減小滾道變形。

檢查軸承包裝是否完好，并記錄軸承內(nèi)外徑相關(guān)尺寸。為避免加入油脂時(shí)造成二次污染及不能準(zhǔn)確控制油脂加入量，建議采用軸承制造商預(yù)加油脂的軸承，并盡量縮短軸承拆開包裝到實(shí)際裝配的時(shí)間。

2.1.3 軸承的選擇和配對

由于每個(gè)加工件實(shí)際尺寸都不一致，由軸承廠商提供的軸承尺寸也會(huì)不一致。如果任意選取零件進(jìn)行組合會(huì)有各種難以預(yù)料的情況發(fā)生:有些軸承會(huì)過盈量太大，造成滾道變形嚴(yán)重而運(yùn)轉(zhuǎn)中異常發(fā)熱而損毀;有些軸承內(nèi)外圈與主軸或箱體會(huì)出現(xiàn)不應(yīng)有的間隙，會(huì)造成本應(yīng)固定的內(nèi)外圈產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)滑移，而影響精度和剛性、甚至使用壽命。因此必須合理選用配對零件，以保證裝配體足夠的剛性和精度。

考慮軸承的配對，必須考慮相關(guān)零件受熱后尺寸的變化。材料受熱變化率——線膨脹系數(shù)就是考量零件受熱尺寸變化的主要參數(shù)。線膨脹系數(shù)是指材料每升高一攝氏度單位長度的變化率，對于直徑為D的零件，其直徑隨溫度的變化為

其中:δD為直徑的變化值，δC為周長的變化值，ζ為材料的線膨脹系數(shù)，D為材料直徑。

根據(jù)式(1)，可以計(jì)算出相關(guān)零件尺寸溫升后的變化值，詳細(xì)見表1。

軸承選配原則一:要求前后軸承內(nèi)圈與主軸過盈配合，以保證軸承內(nèi)圈與軸頸沒有相對滑移，但過盈量不宜太大，以避免軸承滾道變形而影響其精度及壽命。按NSK推薦，目標(biāo)間隙為0～0.004 mm。由于主軸和軸承線膨脹系數(shù)基本一致，這樣，主軸正常溫升(25℃)后也能保證軸承與主軸始終保證適量過盈而不至于產(chǎn)生相對滑動(dòng)。

軸承選配原則二:要求前軸承外圈與箱體孔間隙配合，該間隙大小要適中，以保證預(yù)緊及受熱后的軸承外圈與箱體沒有相對轉(zhuǎn)動(dòng)滑移，但又不產(chǎn)生過大的徑向力而導(dǎo)致軸承滾道變形。按NSK推薦，目標(biāo)間隙為0.003～0.008 mm。如果不考慮軸承預(yù)緊帶來的直徑變化，正常溫升25℃后，由表1可知主軸箱內(nèi)孔和軸承外圈直徑變化差值為:

表1 相關(guān)零件尺寸大隨溫升變化

因此在主軸正常溫升后，0.003～0.008 mm的目標(biāo)間隙可以保證軸承外圈和箱體之間處于過渡配合狀態(tài)(最大間隙0.001 mm，最大過盈0.005 mm)，既保證了主軸的剛性和精度，又能確保軸承外圈與箱體不會(huì)產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動(dòng)滑移。軸承選配原則三:后軸承外圈與箱體間隙配合，該間隙大小要適中，以保證主軸受熱受力伸長時(shí)后軸承外圈能軸向游動(dòng)，又能確保軸承外圈與箱體沒有相對轉(zhuǎn)動(dòng)滑移。按NSK推薦，目標(biāo)間隙為0.009～0.015 mm。由式(2)可知，主軸箱內(nèi)孔與軸承外圈在正常溫升后直徑變化差值約為0.008 mm。因此，理論上軸承外圈與箱體在正常溫升后依然保證了微小間隙(0.001～0.007 mm)，以保證主軸受熱伸長時(shí)后軸承能在箱體內(nèi)游動(dòng)而避免軸承咬死而很快磨損。

以上選配原則為NSK推薦選配原則，如果嚴(yán)格按照該原則選配軸承及相關(guān)零件，就能保證裝配后的主軸具有良好的綜合性能。但是要確保較高的選配成功率，所有零件尺寸都需要控制在較小的公差帶內(nèi)，對于高精度的零件，公差帶縮小1～2μm，可能意味著加工采購成本的成倍增加。因此，根據(jù)實(shí)際裝配經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合NSK選配原則，筆者也總結(jié)了一套軸承選配方法——綜合間隙考量法。

綜合間隙考量法目標(biāo)與NSK推薦方法是一致的，也是為了保證系統(tǒng)足夠的剛性和精度，并保證后軸承在受熱后可以在箱體內(nèi)游動(dòng)。但該選配法不單獨(dú)要求軸承內(nèi)孔和主軸的配合要求，而是綜合考慮軸承內(nèi)外圈、主軸和箱體的間隙。具體要求:前軸承與主軸箱體內(nèi)孔配合關(guān)系要求為最大綜合間隙為0.006 mm，最大綜合過盈為0.003 mm。后軸承與主軸箱體內(nèi)孔配合關(guān)系為最小綜合間隙為0.005 mm，最大綜合間隙為0.011 mm。計(jì)算綜合間隙的方法為，如果軸承內(nèi)圈與主軸過盈為a，軸承外圈和箱體間隙為b，則綜合間隙為b-a。該方法綜合了主軸與軸承內(nèi)圈的過盈配合可能造成軸承外圈的尺寸變化，并由此來評估軸承外圈和箱體內(nèi)孔的綜合間隙。由于使用該辦法并不單獨(dú)考量軸承與主軸的過盈量，因此選配成功率要稍高。筆者采用該方法配對裝配以來已成功在近1 000臺車床主軸上使用，主軸系統(tǒng)在客戶現(xiàn)場一年內(nèi)損壞率小于3%。

兩種選配方法本質(zhì)基本一致，實(shí)際操作中都可以使用。

2.2 主軸裝配

完成了前期細(xì)致的裝配準(zhǔn)備，后期的裝配工作就相對簡單了。

2.2.1 前軸承的安裝

前軸承與主軸過盈配合，為最小化對軸承精度的影響，推薦采用熱套安裝?？梢圆捎脤Ｓ秒姼袘?yīng)軸承加熱器對軸承進(jìn)行無損加熱(圖2)。

加熱溫度的確定，由于主軸最大徑向跳動(dòng)為0.003 mm，軸承內(nèi)圈最大徑向跳動(dòng)為0.005 mm，最大裝配過盈量為0.004 mm。因此軸承加熱后最小內(nèi)徑增大需求量為:

即由表1可算得最小需要加熱的溫度:

考慮到實(shí)際零件尺寸檢測誤差、圓度誤差、安裝過程中軸承冷卻尺寸縮小及其他不可預(yù)測的因素，為了避免軸承安裝過程中的困難，可將軸承加熱至比理論需求溫度高20～30℃。因此加熱設(shè)定溫度確定為60℃。

軸承加熱過程中，將主軸垂直放置，并套上前端壓蓋，然后在主軸表面上薄薄地涂抹一層潔凈的潤滑油脂，將加熱好的軸承輕輕套上主軸。為避免熱裝后的軸承在冷卻過程中寬度方向的收縮，而造成軸承內(nèi)圈和主軸軸肩產(chǎn)生間隙，套上軸承后可用隔套輕輕壓緊軸承內(nèi)圈，并保持至軸承冷卻到室溫，然后緩緩轉(zhuǎn)動(dòng)隔套，找到合適角度，以保證隔套后端跳動(dòng)最小(圖3)。

2.2.2 后軸承的安裝

由于主軸箱與軸承外圈是間隙配合，因此安裝相對容易。當(dāng)然，如果條件允許，也可以將箱體加熱。烘箱、大功率鹵素?zé)艉凸I(yè)用電吹風(fēng)等都比較容易實(shí)現(xiàn)主軸箱體的加熱?？紤]實(shí)際操作的方便，加熱溫度不宜過高，以手能觸碰為準(zhǔn)，一般40℃左右即可。然后在主軸箱內(nèi)壁均勻涂滿薄薄一層潔凈潤滑防銹油脂，將已經(jīng)預(yù)裝好的主軸、前軸承及隔套輕輕插入箱體內(nèi)，直至前軸承完全進(jìn)入箱體內(nèi)孔。從包裝中取出后軸承，輕輕套上主軸，按圖4裝上工裝，然后固定螺桿前端，用扳手輕輕旋緊后端螺母，直至感覺明顯阻力，說明軸承已經(jīng)到達(dá)安裝位置。設(shè)計(jì)工裝時(shí)，要確保壓套只能壓住軸承內(nèi)圈，并盡可能減輕工裝重量。

為保證更好的旋轉(zhuǎn)精度，應(yīng)注意:主軸在前期檢查時(shí)已經(jīng)標(biāo)定了最大跳動(dòng)誤差點(diǎn)，而軸承內(nèi)圈側(cè)面也由軸承制造商標(biāo)有徑向跳動(dòng)最大位置的記號“O”。因此在安裝前后軸承時(shí)都應(yīng)該確保兩處標(biāo)記正好處在相反的位置上。

2.2.3 軸承的預(yù)緊和緊固

主軸軸承僅僅安裝到位還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還必須施加合理的壓緊力來實(shí)現(xiàn)軸承的預(yù)緊和緊固。

如圖5所示本設(shè)計(jì)中采用的是背對背安裝的角接觸球軸承，在軸向力Fa0作用下，消除了內(nèi)圈之間的游隙δa0即可得到軸承設(shè)計(jì)的預(yù)緊。如果軸向負(fù)荷Fa持續(xù)增大，則軸向位移與軸向負(fù)荷的對應(yīng)關(guān)系如圖6，由于軸承內(nèi)外圈摩擦力的存在，兩軸承的實(shí)際位移量δaA和δaB并不一致，因此兩軸承實(shí)際所承受的軸向負(fù)荷FaA和FaB也不一致，這種狀態(tài)將一直保持到軸承跑合完成，通過跑合軸承A、B將自適應(yīng)到最佳狀態(tài)。

完成預(yù)緊的軸承并沒有完全緊固，還需要進(jìn)一步施加軸向力來完成軸承內(nèi)圈的緊固，綜合NSK推薦及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，后端螺母鎖緊扭矩確定為250 N·m。在鎖緊過程，為避免零件間結(jié)構(gòu)誤差和摩擦力造成的虛假鎖緊，鎖緊扭矩要求從小到大，以100 N·m→150 N·m→200 N·m→250 N·m逐步加大，鎖緊過程中要求先用小扭矩鎖緊然后松開，加大扭矩再次鎖緊，如此反復(fù)直至最終用規(guī)定鎖緊扭矩鎖緊。鎖緊過程中為最大限度減小前軸承額外受力，必須主軸前端固定，通過扭矩扳手和相應(yīng)工裝鎖緊后端螺母。

最后通過鎖緊前端壓蓋來保證了前軸承外圈的緊固。如圖7所示，通常采用緊固螺栓對壓蓋進(jìn)行緊固，但是如果緊固量過大或不均勻，外圈滾道容易產(chǎn)生變形。NSK推薦修配壓蓋尺寸來保證壓蓋與主軸箱體端面間隙δ=0.01～0.03 mm，然后擰緊螺栓，以保證適度的緊固量。但在本設(shè)計(jì)中，通過大量經(jīng)驗(yàn)的積累，無需測量也無需修配壓蓋，只需要用較小的扭矩均勻鎖緊螺栓即可，鎖緊扭矩確定為4 N·m。這樣操作可以節(jié)約工時(shí)2個(gè)多小時(shí)，有效地節(jié)約了成本。由于是小扭矩鎖緊，為防止長時(shí)間使用后螺栓松脫，需要使用螺紋防松膠。

2.3 跑合測試及運(yùn)轉(zhuǎn)檢查

完成剩下非主要零件裝配后，為了確認(rèn)主軸裝配是否正常，并釋放裝配應(yīng)力，還需要磨合試運(yùn)轉(zhuǎn)。運(yùn)轉(zhuǎn)在無負(fù)荷情況下低速開始啟動(dòng)，正反轉(zhuǎn)交替并緩慢提高速度。試運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需檢查是否有異音、軸承溫升是否正常、軸承潤滑是否泄漏或變色等。運(yùn)轉(zhuǎn)過程中如果發(fā)現(xiàn)任何異常，應(yīng)立即停止運(yùn)轉(zhuǎn)，檢查后重新開始試運(yùn)行。必要時(shí)需要拆下軸承進(jìn)行檢查。

3 結(jié)語

機(jī)床主軸的設(shè)計(jì)歷經(jīng)百年，已經(jīng)有很多成熟的案例供參考，一些大型的軸承生產(chǎn)廠商也會(huì)提供一些設(shè)計(jì)思路，而且國內(nèi)制造業(yè)的快速發(fā)展也為高精尖的加工提供了方便。因此主軸設(shè)計(jì)有了保證，加工也不再是瓶頸，如果再對裝配進(jìn)行科學(xué)合理的分析并由此制定相應(yīng)的裝配工藝，高精度、高剛性，長壽命的主軸制造也就指日可待了。本文就圖1所示主軸的裝配工藝進(jìn)行了分析，并就如何選配軸承進(jìn)行了詳細(xì)介紹。主軸的設(shè)計(jì)千差萬別，但是軸承的選配原則基本一致，因此該選配原則同樣適用于其他主軸裝配。

［1］NSK精密滾動(dòng)軸承E1254e 2009C-8［Z］.

［2］關(guān)國旗.一種高精度數(shù)控車床的主軸裝配工藝設(shè)計(jì)［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2012(1):45-47.

［3］張曉東，黃裕民，李林、數(shù)控車床主軸部件裝配工藝分析與制定［J］，機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(5).