主軸軸承內(nèi)圈鎖緊用臺階套的設(shè)計??

高紅星 劉曉武 張 帆

(秦川機床工具集團股份公司，陜西寶雞721009)

機床主軸部件中的軸承不僅僅起支撐作用，它還是影響主軸剛度、回轉(zhuǎn)精度、使用壽命等的關(guān)鍵因素。實踐表明，主軸軸承內(nèi)圈的軸向定位好壞對高效、高精度機床的工作性能、可靠性、穩(wěn)定性均有決定性的作用。

1 軸承內(nèi)圈鎖緊的必要性

主軸工作時，時刻要抵抗磨削、銑削、切削等過程產(chǎn)生的外力，為保證其始終具有設(shè)定的回轉(zhuǎn)精度，必須使支撐件——軸承與主軸、箱體(安裝主軸部件)的結(jié)合緊密牢靠擁有充足的剛性，即杜絕主軸出現(xiàn)徑向或軸向位移，以避免加工面產(chǎn)生振紋、刀具損壞、工件報廢等現(xiàn)象。另外，主軸相對軸承座具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、結(jié)合零件多、維修不便等特點，所以，主軸與軸承內(nèi)圈的定位特別關(guān)鍵。

軸承是一組合零件，其內(nèi)圈、外圈分別擁有精密的滾道，即滾動體滾動的通道。只有使軸承徑向、軸向游隙一直維持在預(yù)設(shè)的范圍，其性能才可穩(wěn)定、充分發(fā)揮，如精度、剛度、壽命、轉(zhuǎn)速等特性。因為，對滾動體而言，其在滾道中的運動是滾動為主伴隨滑動，當(dāng)軸承的內(nèi)外圈固定不牢、位置不合理時均會加速滾動體的滑動，導(dǎo)致摩擦增大溫度增高，最終造

成軸承精度降低、剛度減小、壽命縮短等故障。此外，內(nèi)圈較外圈溫度高，其與主軸結(jié)合面極易出現(xiàn)松動，所以軸承內(nèi)圈鎖緊至關(guān)重要。

綜上所述，對于主軸軸承，無論將其整體簡化成一個支撐件，從主軸部件特性方面進行分析，還是將其視為一個組合件，從軸承自身特性方面進行分析，均得出精密軸承在主軸上的固定狀況是決定主軸、軸承特性好壞的核心因素，即主軸軸承內(nèi)圈必須牢固可靠地鎖緊。

2 臺階套鎖緊結(jié)構(gòu)的確定

本文以一款成熟主軸部件結(jié)構(gòu)為例，分別闡述主軸軸承內(nèi)圈鎖緊結(jié)構(gòu)、鎖緊臺階套的結(jié)構(gòu)及其設(shè)計過程。

2.1 主軸部件結(jié)構(gòu)

圖1為一款典型的主軸部件結(jié)構(gòu)圖，其被用在一種高效高精度磨床中。主軸1的左端為安裝磨削砂輪端即主要受力端，此處軸承組采用軸向固定支撐方式。4個組配的軸承3為精密角接觸球軸承，相鄰兩個朝向相同且整體背對背配置。為了提高此軸承組的額定轉(zhuǎn)速，用外隔套4、內(nèi)隔套5置于軸承組中間將中間軸承3的外圈、內(nèi)圈分別隔離開。軸承3組配內(nèi)圈左端緊壓主軸的軸肩，右端被臺階套7壓緊，鎖緊螺母8將臺階套鎖緊，內(nèi)圈孔與軸過盈配合；外圈右端緊壓套筒6的肩面，左端被端蓋2壓緊，然后用螺釘將端蓋與套筒固定，外圈與套筒孔小間隙配合。主軸右端為轉(zhuǎn)速和扭矩輸入端，此處軸承組采用浮動支撐方式。2個組配的軸承9為精密角接觸球軸承，背對背配置；軸承9組配內(nèi)圈左端緊壓主軸的軸肩，右端被鎖緊螺母11鎖緊，內(nèi)圈孔與軸過盈配合；外圈與套筒孔小間隙配合且軸向自由浮動。此主軸部件組配好以后，整體進行安裝或拆卸。

2.2 臺階套鎖緊結(jié)構(gòu)

軸承轉(zhuǎn)動時，滾動體在滾道中滾動的同時伴隨滑動，故滾動體與滾道接觸過程中必產(chǎn)生滾動摩擦和滑動摩擦，摩擦將動能轉(zhuǎn)換為內(nèi)能，即軸承將發(fā)熱溫度必升高，因內(nèi)圈較外圈直徑小散熱慢，則內(nèi)圈溫升快膨脹大。

(1)傳統(tǒng)軸承內(nèi)圈采用鎖緊螺母鎖緊的弊端。圖2為圖1中臺階套鎖緊結(jié)構(gòu)的放大圖。多數(shù)主軸軸承內(nèi)圈的鎖緊使用精密鎖緊螺母8，但無論將相互配合的內(nèi)外螺紋制作的多精密，它們旋合后內(nèi)外螺紋牙之間的間隙永遠(yuǎn)存在，當(dāng)精密鎖緊螺母中緊定螺釘擰緊時，鎖緊螺母的壓緊端面N與主軸1的軸線X不垂直，N面也就無法沿圓周均勻地壓緊壓實軸承3的內(nèi)圈端面M，這種輕度的端面M、N間非均勻虛接觸初期發(fā)現(xiàn)不了，因為目前無測量手段。嚴(yán)重的非均勻虛接觸甚至使軸承內(nèi)圈處于變形狀態(tài)，內(nèi)圈上的薄壁滾道也發(fā)生變形，這必將造成主軸回轉(zhuǎn)精度跳動量偏大，此時可通過測量主軸的徑跳、端跳就可發(fā)現(xiàn)問題。

軸承轉(zhuǎn)動時，內(nèi)圈端面M沿圓周的非均勻虛接觸壓緊，使內(nèi)圈不牢靠且滾道不穩(wěn)定易變形，導(dǎo)致滑動摩擦急劇增大，則軸承會因溫升過快過大而損壞。所以傳統(tǒng)軸承內(nèi)圈采用鎖緊螺母鎖緊具有局限性，尤其對于立式主軸或高速、高精度主軸避免使用此類結(jié)構(gòu)。

(2)軸承內(nèi)圈采用臺階套鎖緊的優(yōu)點。如圖2所示，臺階套7為一薄壁套，內(nèi)孔為兩段，兩內(nèi)孔孔徑差值小且同軸度高。臺階套兩孔與軸過盈配合且配合長度較長，對中性好，所以臺階套對軸承內(nèi)圈端面M將沿圓周均勻壓實，即固定或定位非常牢固穩(wěn)定。

軸承轉(zhuǎn)動時，軸承內(nèi)圈端面M沿圓周被均勻壓實后，滾道將處于穩(wěn)定狀態(tài)，轉(zhuǎn)動時的滾動摩擦、滑動摩擦均很小，軸承溫升小，內(nèi)圈僅有微小增大，但因為內(nèi)圈圓周受力均勻且牢固，滾道不會發(fā)生扭曲變形。雖然臺階套精度要求高、制造難度大、成本貴，但它特有的可靠性高、拆卸方便、重復(fù)使用等優(yōu)點，仍被廣泛采用。

(3)臺階套、鎖緊螺母組合鎖緊。僅用臺階套鎖緊軸承內(nèi)圈也有缺點，根據(jù)實際使用效果，壓緊內(nèi)圈的臺階套會出現(xiàn)后退，經(jīng)過重新調(diào)整安裝主軸精度又會恢復(fù)。這是因為臺階套內(nèi)孔與主軸之間有油膜殘留，使它們結(jié)合面間的摩擦系數(shù)減小，若遇到軸向沖擊，就會使臺階套退縮，如果設(shè)計一個鎖緊螺母將臺階套鎖緊，則后退現(xiàn)象杜絕。工程實踐也證明此種組合鎖緊結(jié)構(gòu)對主軸軸承內(nèi)圈的鎖緊非?？煽糠€(wěn)定。

3 臺階套的設(shè)計

3.1 關(guān)鍵參數(shù)的確定

臺階套7為一薄壁軸套，兩節(jié)內(nèi)孔受高壓油作用沿徑向膨脹變形，高壓油撤去后恢復(fù)原狀。材料定為65Mn；硬度定為42 HRC；兩節(jié)內(nèi)孔同軸度誤差不大于0.002 mm；兩節(jié)內(nèi)孔圓柱度值不大于0.002 mm；兩節(jié)內(nèi)孔粗糙度值不大于0.8 μm；壓緊端面相對兩孔軸線的端跳不大于0.002 mm；壓緊端面的粗糙度值不大于0.8 μm。

3.2 基本力學(xué)參數(shù)值的估算

首先估算臺階套的基本力學(xué)參數(shù)值，作為其結(jié)構(gòu)及尺寸確定的參考依據(jù)。

(1)臺階套提供的軸向鎖緊力Fa的估算。臺階套與主軸過盈配合后提供的軸向鎖緊力必須不小于軸承組的軸向定位要求。理論上，此軸向鎖緊力等于軸承組的最大額定軸向載荷，但此參數(shù)值由軸承組的軸承數(shù)量、組配類型、額定轉(zhuǎn)速、主軸剛性、回轉(zhuǎn)精度等因素決定，所以不可能準(zhǔn)確計算出軸承組所需軸向鎖緊力。本主軸固定端使用的軸承為7016CDQBC/SKF，即圖1中4個軸承3，且串聯(lián)背對背組配，軸承內(nèi)徑為80 mm，根據(jù)SKF的《超精密軸承》[1]樣本提供的資料結(jié)合工程經(jīng)驗則有:

其中參數(shù)值查找《超精密軸承》/SKF樣本得:Fs為最小軸向鎖緊力，11 000 N；Ncp為與臺階套直接接觸的同向個數(shù)，2 個；Fc為軸向配合力，1200 N；Ga為安裝前預(yù)設(shè)置的軸承預(yù)載荷，480 N。然后將參數(shù)值代入公式:

(2)過盈配合面應(yīng)力P的估算。先將臺階套簡化為內(nèi)孔無臺階的軸套進行分析，根據(jù)以往的工程經(jīng)驗，軸套過盈配合長度取48 mm。臺階套與軸過盈配合后的軸向鎖緊力即固持力，利用《機械設(shè)計》[2]中8.1節(jié)中公式有:

其中參數(shù)值查《機械設(shè)計》得:l為過盈配合長度，48 mm；d為配合直徑，80 mm；μ為配合面間的摩擦系數(shù)，0.14(溫差法裝配時取值)；然后將相關(guān)數(shù)值代入得所需最小應(yīng)力:

(3)過盈配合最小過盈量△min的估算。臺階套模型簡化成軸套后，依據(jù)《超精密軸承》/SKF樣本中公式:

其中參數(shù):di為主軸空心孔徑，mm；de為臺階套外圓直徑，mm。Δmin為最小過盈量，mm。該式計算結(jié)果為正道，表示為間隙，負(fù)值才表示為過盈。本主軸為實心，取di=0 mm，綜合主軸結(jié)構(gòu)、臺階套制造工藝、工程經(jīng)驗等因素，取de=97 mm。將數(shù)值代入相關(guān)公式得:

3.3 重要尺寸的確定

圖3為臺階套及主軸的重要尺寸圖，圖中顯示的相關(guān)尺寸是決定臺階套特性的關(guān)鍵因素，所以它們是初期設(shè)計和隨后加工必須仔細(xì)對待的重要參數(shù)。

d為主軸上安裝軸承的軸徑；d1為主軸與臺階套大孔徑配合的軸徑；d2為主軸與臺階套小孔徑配合的軸徑；l2為d2軸頸的長度；l4為主軸上油槽長度；D1為臺階套大內(nèi)孔孔徑；D2為臺階套小內(nèi)孔孔徑；D3為臺階套減壓槽孔徑；D為臺階套外圓直徑；L1為D1孔頸長度；L2為D2孔頸長度；L3為減壓槽長度；L4為臺階套上油槽長度。

(1)主軸軸徑d、d1、d2的確定。軸徑d與固定端軸承組將過盈配合，所以其與軸承3內(nèi)圈孔徑名義值相同。軸徑d1相鄰軸徑d，為了便于加工和裝配軸承組，取d、d1等徑。為了便于軸套拆卸和安裝調(diào)整，軸徑d2小于d1，但不能小太多，因為拆卸臺階套的油壓很高，大的面積差將使臺階套的軸向彈出力很大，易發(fā)生異常事故。故根據(jù)《超精密軸承》/SKF相關(guān)推薦數(shù)值及工程經(jīng)驗取:

(2)臺階套孔徑D1、D2的確定。臺階套的裝配調(diào)整，要向其中間油槽注入高壓油，漲大孔徑D1、D2，如此會使主軸與臺階套的配合面之間殘留微量油膜，導(dǎo)致摩擦系數(shù)減小。主軸轉(zhuǎn)動后，軸承組的溫度將隨時間、轉(zhuǎn)速的增加而升高，軸承內(nèi)圈與主軸軸頸的配合過盈量將逐漸減小甚至消失；此外軸承內(nèi)圈的軸向膨脹，會對緊壓它的臺階套一個推力。所以，臺階套實際軸向鎖緊力必須大于其估算值，防止松動，即主軸與臺階套配合過盈量要加大。根據(jù)工程經(jīng)驗過盈量取△≈(3～6)△min，孔徑D1、D2不得相差太大，否則油漲拆卸臺階套就很困難，結(jié)合《超精密軸承》/SKF相關(guān)推薦數(shù)值及工程經(jīng)驗取:

(3)減壓槽孔徑D3及長度L3的確定。主軸與臺階套的過盈配合使主軸軸頸變形，造成軸承內(nèi)圈滾道扭曲，若為空心主軸時扭曲更嚴(yán)重。所以，臺階套的壓緊端須設(shè)置一減壓槽，防止軸頸變形，長度應(yīng)為軸徑的15%～20%[1]，孔徑D3不能過大，其還需與軸承3的M端面有充足接觸面積。所以綜合結(jié)構(gòu)、加工、工程經(jīng)驗取:

(4)注油槽l4、L4的確定。當(dāng)調(diào)整或拆卸臺階套時，須將高壓油沿圓周注入臺階套內(nèi)，使其內(nèi)孔漲大至能軸向自由移動，也為了便于加工臺階軸和臺階孔，必須設(shè)置一個圖3所示的油槽。根據(jù)工程經(jīng)驗取:

(5)臺階軸長度l2、臺階孔長度L1與L2的確定。主軸軸頸、臺階套孔頸設(shè)計成階梯結(jié)構(gòu)，為了使注入油槽的高壓油將軸套推出，必須l4+l2=L1+L4，即l2=L1，如圖4所示的臺階套退出極限位置。若l2＞L1，注油槽中高壓油從減壓槽泄漏，油壓降為零，軸徑d2、孔徑D2恢復(fù)原過盈配合狀態(tài)，臺階套不能徹底退出；若l2＜L1時，注油槽中高壓油從軸徑d2右端泄漏，油壓降為零，軸徑d1、孔徑D1恢復(fù)原過盈配合狀態(tài)，臺階套不能徹底退出。根據(jù)工程經(jīng)驗取:

(6)臺階套外圓直徑D的確定。此外圓直徑不能干涉軸承3的旋轉(zhuǎn)防塵蓋或滾動體等零件，也不能太小造成薄壁套類零件加工變形。綜合各種影響因素，根據(jù)工程經(jīng)驗取:

3.4 校核聯(lián)接強度

將以上確定的尺寸值代入相關(guān)公式，可以計算得出以下參數(shù)值。

(1)最大裝配過盈量?！鱩ax=D1-d1=79.91 mm-80 mm=-0.09 mm

(2)過盈配合面最大應(yīng)力。Ci=0 mm/80 mm=0，Ce=97 mm/80 mm=1.212 5；

(3)校核臺階套強度。對于臺階套，危險應(yīng)力發(fā)生在過盈配合的孔頸內(nèi)表面，其強度根據(jù)變形能理論等計算。 查文獻[2]中表5.4、式(8.9)、(8.8)，得臺階套材料的屈服極限σs7=520～690 MPa。

(4)校核主軸強度。對于主軸，危險應(yīng)力發(fā)生在過盈配合的軸頸內(nèi)表面，查文獻[2]中表5.4，得主軸材料的屈服極限σs1=840 MPa。根據(jù)第三強度理論，周向應(yīng)力σ1、徑向應(yīng)力σ3應(yīng)滿足強度條件σ1-σ3≤σs1，而實際有:

所以上述確定的臺階套尺寸合理可靠。

4 結(jié)語

本文首先介紹了高精度主軸部件中軸承內(nèi)圈須鎖緊的必要性，然后通過對一款成熟主軸部件的結(jié)構(gòu)和其中臺階套鎖緊結(jié)構(gòu)的分析，闡述了主軸采用臺階套鎖緊結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，最后詳細(xì)論述了臺階套設(shè)計過程。此種臺階套對主軸軸承內(nèi)圈的鎖緊效果，經(jīng)過工程實際使用，被證明是非常安全可靠的，可為類似產(chǎn)品的設(shè)計提供參考。