數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

滾珠絲杠副作為精密、高效、靈敏的傳動(dòng)元件，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，用較小的轉(zhuǎn)矩獲得很大的推力，除了必須擁有高精度的絲杠、螺母和滾珠外，其功能、精度及可靠性直接影響機(jī)床線性伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)給軸插補(bǔ)運(yùn)行平穩(wěn)性、定位精度、噪聲及臨界轉(zhuǎn)速Nc，也即直接影響機(jī)床加工精度和效率。

絲杠支撐軸承是數(shù)控裝備伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心零件，其性能直接影響最終的數(shù)控實(shí)現(xiàn)效果。本文通過分析現(xiàn)有絲杠支撐軸承結(jié)構(gòu)及其組配、安裝方式，提出數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元化設(shè)計(jì)理念，并進(jìn)行軸承主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)和預(yù)載間隙優(yōu)化設(shè)置。

1 現(xiàn)有絲杠支撐軸承及其組配方式

常見的機(jī)床絲杠支承方式多以兩套或多套單列推力角接觸球軸承組合使用，利用各軸承受力與承載特點(diǎn)分擔(dān)所受載荷并獲得組合剛度。軸承或軸承組需通過軸承座與機(jī)床連接并設(shè)置專門密封、潤(rùn)滑裝置進(jìn)行給油維護(hù)和防塵、密封（圖1），其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，軸承選配技術(shù)要求高、軸承座孔加工難度大，組合安裝精度不易保證。

圖1 現(xiàn)有軸承結(jié)構(gòu)及與機(jī)架連接方式

2 功能集合型數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元

數(shù)控加工中心滾珠絲杠系統(tǒng)中，絲杠支撐軸承主要承受雙向軸向載荷和傾覆力矩，根據(jù)其功能需求及安裝應(yīng)用特點(diǎn)，在滿足軸承剛度、精度及可靠性要求前提下，將軸承與軸承座、密封裝置、再潤(rùn)滑油路等進(jìn)行功能整合，設(shè)計(jì)成帶法蘭安裝孔、密封與再潤(rùn)滑裝置和拆卸嵌卡槽的單元型數(shù)控加工中心絲杠專用軸承（圖2），可實(shí)現(xiàn)軸承安裝、潤(rùn)滑、密封、維護(hù)一體化功能集合。

2.1 外圈功能化組合設(shè)計(jì)

（1）增厚軸承外圈并在其上設(shè)置若干沿周向均勻分布的軸向法蘭安裝通孔、通過安裝孔可使用螺栓將軸承單元直接安裝在機(jī)床機(jī)架上及進(jìn)行徑向?qū)π奈⒄{(diào)，不需要專門軸承座。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占位空間小，安裝使用方便。

（2）遠(yuǎn)離安裝平面一端的軸承端面和外徑上，設(shè)置有彼此相通且相互垂直的油嘴孔及貫穿外圈內(nèi)壁與密封、潤(rùn)滑空間相連的注油孔，可定期使用喂脂器械經(jīng)油嘴孔向軸承內(nèi)部喂給新鮮油脂，補(bǔ)充摩擦發(fā)熱對(duì)油脂的消耗。

（3）在靠近軸向喂脂通道端的外徑上制成一條周向拆卸槽，便于維護(hù)嵌卡。

2.2 內(nèi)部主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（1）主體形式為雙列結(jié)構(gòu)，一套軸承單元相當(dāng)于兩套單列軸承組合、兩套軸承單元相當(dāng)于四套單列軸承組合，有效提高支承剛度的同時(shí)，大幅降低機(jī)床制造企業(yè)軸承選配難度。

（2）兩獨(dú)立內(nèi)圈小端相對(duì)且預(yù)留預(yù)載間隙，間隙值依據(jù)負(fù)載與鋼球和套圈滾道間接觸變形關(guān)系優(yōu)化設(shè)定，安裝時(shí)只需按力矩要求旋緊鎖緊螺母即可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)載，獲得適合剛性，相對(duì)于現(xiàn)有使用螺母和端蓋分別壓緊軸承內(nèi)外圈的安裝方式，方便且預(yù)緊力準(zhǔn)確。

（3）內(nèi)部雙列結(jié)構(gòu)按兩套單列推力角接觸球軸承背靠背安裝的“O”型配置，可雙向承載。

（4）軸承單元設(shè)計(jì)成獨(dú)立預(yù)潤(rùn)滑密封單元，可預(yù)注及適時(shí)補(bǔ)充潤(rùn)滑脂，替代傳統(tǒng)應(yīng)用中附加密封、潤(rùn)滑裝置。

圖2 功能集合型軸承單元與安裝方式

2.3 主參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

功能組合設(shè)計(jì)有效增大了軸承截面尺寸，令增大鋼球直徑Dw、球數(shù)Z和球組中心圓直徑Dwp成為可能。應(yīng)用擬靜力學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化軸承結(jié)構(gòu)主參數(shù)，在滿足一定約束條件下使軸承額定動(dòng)載荷盡可能大[1]。

（1）建立目標(biāo)函數(shù)

（2）設(shè)定約束條件

（3）應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段，通過局部網(wǎng)格法進(jìn)行優(yōu)化篩選，挑選滿足Cr最大的Dw、Z和Dwp最佳點(diǎn)。

bm——當(dāng)代常用材料載荷系數(shù)；

Fao——軸承單元預(yù)載荷值；

Cr——軸承徑向基本額定動(dòng)載荷；

Ga——軸承軸向游隙；

d——軸承內(nèi)徑；

K2e——軸承外圈擋邊高系數(shù)；

D——軸承單元當(dāng)量外徑；

K2i——軸承內(nèi)圈擋邊高系數(shù)；

Dw——鋼球直徑；

Kw——鋼球直徑系數(shù)；

Dwp——鋼球組中心圓直徑；

Kz——鋼球數(shù)量系數(shù)；

fc——額定載荷材料系數(shù)；

Z——鋼球數(shù)量；

fe——軸承外圈溝曲率系數(shù)；

α——軸承接觸角；

fi——軸承內(nèi)圈溝曲率系數(shù)；

δ——軸承單元預(yù)載間隙。

2.4 結(jié)構(gòu)參數(shù)選取

（1）接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要設(shè)計(jì)參數(shù)，是軸承內(nèi)部載荷分布、運(yùn)動(dòng)關(guān)系、摩擦、潤(rùn)滑等的重要影響因素[2]。絲杠軸承承受徑向、軸向或力矩聯(lián)合載荷作用時(shí)，其內(nèi)外套圈會(huì)產(chǎn)生徑向、軸向相對(duì)位移和相對(duì)傾角，這種彈性位移量的大小將對(duì)機(jī)床定位精度產(chǎn)生重要影響，反映了支承軸承剛度性能指標(biāo)[3]。圖3接觸角、軸向變形與軸向載荷關(guān)系曲線顯示，軸承原始接觸角越大，承載后接觸角變化越小，軸向變形也越小，軸承的軸向剛度越高[3]。

圖3 接觸角、軸向變形與軸向載荷關(guān)系曲線

考慮絲杠支撐軸承“軸向力+力矩聯(lián)合載荷”及1 800～4 000 r/min非高速應(yīng)用工況，選取軸承接觸角α=60°。

（2）溝曲率系數(shù)

軸承內(nèi)、外圈溝曲率系數(shù)直接影響角接觸球軸承鋼球與內(nèi)、外圈的接觸應(yīng)力與接觸變形[4]。絲杠軸承承受軸向中心載荷時(shí)各滾動(dòng)體負(fù)荷分布接近[3]，溝曲率系數(shù)可稍大于通用角接觸球軸承，以減小摩擦、提高靈活性。同時(shí)內(nèi)外溝道等密合度設(shè)計(jì)具有較小的軸向跳動(dòng)和變形量，取值fi=fe=0.525。

（3）擋邊高系數(shù)

設(shè)計(jì)中選取 60°大接觸角以擁有較高軸向剛度，為避免出現(xiàn)鋼球與滾道間形成的接觸橢圓被擋邊邊緣截?cái)啵▓D4），產(chǎn)生應(yīng)力集中，發(fā)生過早疲勞失效。依據(jù)接觸角分析計(jì)算結(jié)果，擋邊高系數(shù)選取為：

圖4 接觸橢圓

2.5 預(yù)載間隙優(yōu)化

絲杠支撐軸承裝配精度直接影響機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)精度，除了絲杠副本身的剛度外，絲杠支撐軸承的精度及其安裝調(diào)整同樣至關(guān)重要[5]。多套單列軸承組配情況下，如各軸承間接觸角、預(yù)負(fù)荷相差較大，將影響整個(gè)絲杠副的重復(fù)精度，喪失數(shù)控機(jī)床加工精度的重要性能。本技術(shù)軸承單元為雙列結(jié)構(gòu)，不需與其它軸承組配即可單獨(dú)使用并具有較高剛度和負(fù)載能力，但前提是軸承裝配時(shí)必須嚴(yán)格地對(duì)內(nèi)、外圈進(jìn)行優(yōu)選組配。

（1）選配接觸角

通常角接觸球軸承接觸角公差為±3°，絲杠支撐軸承單元在α1、α2滿足該要求的同時(shí)，同一軸承兩接觸角相互差須控制在2°以內(nèi)（圖5）。

圖5 接觸角

（2）預(yù)載間隙優(yōu)化

如圖6所示，當(dāng)預(yù)載荷通過預(yù)緊螺母施加于兩內(nèi)圈后，兩內(nèi)圈向中心移動(dòng)，各自位移量達(dá)到δ/2時(shí)，間隙消失，兩內(nèi)圈小端面接觸，軸承單元得到預(yù)載荷Fa0[6]。因此，δ值大小直接影響預(yù)緊力施加準(zhǔn)確性，也即影響所獲得的剛度。

圖6 軸承位移

間隙設(shè)置方法：

1）測(cè)量合套后軸向游隙Ga；

2）按規(guī)定預(yù)載荷值施壓并測(cè)量加載后軸向位移δ/2；

4）按計(jì)算所得Δ值分別修磨兩內(nèi)圈后組裝。

用戶使用時(shí)，只需按推薦力矩鎖緊螺母，即可獲得設(shè)計(jì)的預(yù)載荷值。

表1 軸承單元代表型號(hào)性能對(duì)比

3 軸承性能對(duì)比分析

應(yīng)用本文介紹的技術(shù)方法，結(jié)合厚壁軸承套圈防淬裂及整體淬透性熱處理、大展開長(zhǎng)度多曲面精密復(fù)合磨削、安裝法蘭孔精整等工藝實(shí)踐，令產(chǎn)品精度壽命、軸向剛度、預(yù)載精度、軸向跳動(dòng)等多項(xiàng)性能較之現(xiàn)有技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，代表型號(hào)分析對(duì)比結(jié)果如表1所列。

4 結(jié)束語

本文提出的數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元化設(shè)計(jì)技術(shù)，順應(yīng)了精密數(shù)控裝備關(guān)鍵功能部件單元化、組合化、通用化發(fā)展趨勢(shì)并創(chuàng)益于配套主機(jī)功能，在大幅提高滾珠絲杠支承剛度，滿足主機(jī)對(duì)絲杠支撐軸承精度、性能、質(zhì)量和可靠性要求前提下，實(shí)現(xiàn)了安裝、潤(rùn)滑、密封、維護(hù)一體化功能集合?？蔀閿?shù)控加工中心和電子制造裝備、木工機(jī)械、成型機(jī)械等數(shù)控裝備提供可靠的功能化核心基礎(chǔ)部件，緩解長(zhǎng)期依賴進(jìn)口局面，突破精度限制。同時(shí)降低機(jī)床制造企業(yè)軸承使用難度，減少用工成本。

［1］T.A.Harris著.羅繼偉等譯.滾動(dòng)軸承分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.

［2］洛陽(yáng)軸研科技股份有限公司.角接觸球軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)［Z］.2006.

［3］張宏柱，汪世益.數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠軸承的支承剛度分析［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2008（4）：160-162.

［4］李有堂，劉辭英，劉書巖，等.深溝球軸承內(nèi)、外溝曲率系數(shù)對(duì)接觸應(yīng)力和變形的影響［J］.蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（5）：32-33.

［5］徐贊，王景曉，徐公志.數(shù)控機(jī)床滾珠絲杠和滾動(dòng)軸承的預(yù)緊方法［J］.金屬加工：冷加工，2011（11）：53-54.

［6］日本精工株式會(huì)社.精密滾動(dòng)軸承［Z］.日本：2003.