考慮多影響因素精密機(jī)床主軸軸承試驗(yàn)臺研制*

王鐵映，朱 強(qiáng)，袁 峰，秦東晨

(鄭州大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院，鄭州 450001)

0 引言

隨著精密機(jī)床主軸向著高精度、高效率等方向發(fā)展，精密機(jī)床主軸關(guān)鍵部件—軸承直接影響著機(jī)床主軸的加工精度、加工零件表面的質(zhì)量、振動等。因此，對精密機(jī)床主軸軸承提出了更高的要求。為了對主軸軸承的影響因素提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持，對精密機(jī)床主軸軸承進(jìn)行試驗(yàn)臺架的設(shè)計(jì)以及試驗(yàn)研究必不可少。目前有關(guān)精密機(jī)床主軸軸承試驗(yàn)研究的報(bào)道不少，但是大多數(shù)研究僅僅存在于單一工況，如可變預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速、外載荷等條件，文獻(xiàn)[1]提出了一種偏心型預(yù)緊機(jī)構(gòu)；文獻(xiàn)[2]研制了預(yù)緊力可智能控制高速加工電主軸，并研究了預(yù)緊力對主軸剛度的影響；文獻(xiàn)[3]基于壓電陶瓷的電主軸軸承預(yù)緊可調(diào)節(jié)裝置進(jìn)行研究。把多因素合并考慮并進(jìn)行試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究的情況少見于報(bào)道。鑒于此，通過模擬精密機(jī)床主軸的實(shí)際運(yùn)行工況，本文研制了一臺精密機(jī)床主軸軸承試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺能夠在不同預(yù)緊力、轉(zhuǎn)速、外載荷、軸承安裝方式等工況條件下，對影響主軸軸承精度保持性的原因進(jìn)行試驗(yàn)探究。

1 試驗(yàn)臺主要技術(shù)要求

根據(jù)精密機(jī)床主軸軸承實(shí)際運(yùn)行工況，試驗(yàn)臺應(yīng)滿足如下技術(shù)要求：被測試的軸承型號為滾動軸承7006C(p4精度)，內(nèi)徑為30 mm，外徑為55 mm；主軸轉(zhuǎn)速可調(diào)節(jié)范圍為200～5600 r/min；轉(zhuǎn)速的大小可以通過變頻器控制；最大徑向載荷為300 N、最大軸向載荷為200 N并且連續(xù)可調(diào)；對機(jī)床主軸軸承施加預(yù)緊力調(diào)節(jié)范圍為200～1500 N；軸承的潤滑方式采用脂潤滑的形式，采用水冷卻系統(tǒng)對試驗(yàn)臺進(jìn)行循環(huán)冷卻。同時，本試驗(yàn)臺還可以實(shí)現(xiàn)二聯(lián)成對軸承“背對背”以及“面對面”的安裝方式，系統(tǒng)可以在線監(jiān)控軸承的工作狀態(tài)，控制各項(xiàng)參數(shù)[4-5]。

2 試驗(yàn)臺技術(shù)方案

2.1 主體結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)臺總體尺寸長1100 mm×380 mm×250 mm，由試驗(yàn)臺主體、驅(qū)動系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、預(yù)緊力控制系統(tǒng)以及外載荷作用系統(tǒng)等組成(見圖1)。試驗(yàn)臺主體主要由試驗(yàn)主軸、試驗(yàn)軸承、加載軸承、套筒、箱體基座等組成[6-7]。為了模擬機(jī)床主軸真實(shí)運(yùn)行工況，試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)成如機(jī)床主軸形式，最前端為外加載荷作用的加載軸承，兩對測試軸承位于試驗(yàn)臺箱體內(nèi)部，試驗(yàn)臺徑向切削加載原理如圖2所示。

1.壓電加載組件 2.加載頭組件 3.冷卻循環(huán)水槽 4.主軸前端被測軸承 5.預(yù)緊壓電加載組件 6.箱體基座 7.主軸后端被測軸承 8.電機(jī)圖1 試驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)圖

圖2 試驗(yàn)臺徑向切削加載原理圖

在加載端受徑向切削力最大為300 N，算得FA=300 N，F(xiàn)B=403 N,FC=103 N；其中,FA為最大徑向切削力；FB、FC為基座的作用反力。

2.2 預(yù)緊力及外載荷的施加

常用外加載荷方式有機(jī)械加載、液壓加載、電加載等方式。機(jī)械加載結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但如果軸承運(yùn)行時間長且運(yùn)行過程中載荷經(jīng)常發(fā)生變化，機(jī)械加載則很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)加載和自動加載。液壓加載以電機(jī)作為動力源，控制閥門的變化來改變液壓油流動的大小和方向，達(dá)到加載的目的。液壓加載連續(xù)性和自動性較好，但是也面臨著維修維護(hù)困難、使用不方便、油液滲漏等缺點(diǎn)。

本試驗(yàn)臺采用封裝型壓電陶瓷電力加載的形式，對精密機(jī)床主軸進(jìn)行預(yù)緊力的調(diào)節(jié)以及外加載荷的施加。預(yù)緊力調(diào)節(jié)端通過采用沿軸向?qū)ΨQ分布的三個封裝型壓電陶瓷(型號pst150/40 /vs10)對機(jī)床主軸進(jìn)行可變預(yù)緊力的調(diào)節(jié)；加載端同樣采用封裝型壓電陶瓷(型號為pst150/40/vs15)，徑向、軸向各用一個封裝型壓電陶瓷進(jìn)行可變外載荷的施加。預(yù)緊以及加載端的壓電陶瓷共用一套壓電陶瓷驅(qū)動電源驅(qū)動(見圖3)。

圖3 壓電陶瓷預(yù)緊力加載示意圖

2.3 主軸軸承安裝方式

機(jī)床主軸按照軸承的類型可以分為滾動軸承、液體軸承、氣體軸承和磁懸浮軸承等類型。其中，角接觸滾動軸承具有高精度、高極限轉(zhuǎn)速、以及可以同時承受軸向以及徑向載荷等眾多的優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)床主軸軸承的支撐[8]。高速機(jī)床主軸軸承配置方式有多種，例如單列、二聯(lián)、三聯(lián)。為了提高主軸的旋轉(zhuǎn)精度以及剛度，常用二聯(lián)中成對串聯(lián)的安裝方式，二聯(lián)成對串聯(lián)有背對背(DB)和面對面(DF)(見圖4)的方式。軸承配置方式的選定對主軸整體的性能有著重要的影響。本試驗(yàn)臺可以從不同的安裝方式對機(jī)床主軸軸承性能影響的作用規(guī)律展開試驗(yàn)研究[9]。

圖4 成對串聯(lián)軸承安裝形式

2.4 數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)

試驗(yàn)所需采集的數(shù)據(jù)有：試驗(yàn)臺主軸的轉(zhuǎn)速、預(yù)緊載荷以及外載荷的大小、主軸的振動、軸向跳動、以及主軸軸承的溫升。這些數(shù)據(jù)由相應(yīng)的傳感器經(jīng)LMS采集系統(tǒng)送入計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理與顯示。為測量軸承的溫度與振動，采用鉑電阻溫度傳感器以及加速度振動傳感器。溫度傳感器安裝在箱體和套筒合并加工的孔中，方向與豎直方向呈20°夾角，緊貼于軸承外圈。為測量主軸的轉(zhuǎn)速和徑向、軸向跳動，采用電渦流轉(zhuǎn)速以及電渦流振動傳感器；為測量壓電軸承預(yù)緊力以及徑向、軸向載荷的大小，采用微型的壓力傳感器。試驗(yàn)臺整體控制由LMS控制系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)、壓電加載控制系統(tǒng)以及冷卻循環(huán)系統(tǒng)組成(見圖5)。

圖5 電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3 試驗(yàn)臺關(guān)鍵零部件有限元分析

3.1 軸承剛度的理論計(jì)算

在預(yù)緊力F作用下，角接觸軸承預(yù)緊之后的接觸角α與預(yù)緊前接觸角α0之間的關(guān)系為：

(1)

本文主軸采用的是滾動軸承7006C，初始接觸角為15°，α可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)求解算出[10]。再通過式(2)、式(3)算出軸承的軸向剛度kα和徑向剛度kr：

(2)

(3)

Fa=1.22Frtanα

(4)

利用MATLAB編寫相關(guān)的程序，計(jì)算出在不同的預(yù)緊力作用下軸承的軸向剛度和徑向剛度。如圖6所示，軸承的軸向剛度和徑向剛度，隨著軸承預(yù)緊力的增加而增加。

圖6 預(yù)緊力與軸承剛度的關(guān)系

3.2 軸系模型的建立及模態(tài)分析

求得軸承預(yù)緊力和主軸軸承剛度關(guān)系之后，利用ANSYS Workbench 對軸系進(jìn)行建模仿真計(jì)算。ANSYS中，通常將軸承模擬成彈簧單元，在兩端軸承安裝處徑向、軸向支撐處均簡化成4個支撐的彈簧單元。根據(jù)軸承在不同預(yù)緊力下所計(jì)算的剛度值，設(shè)置好后進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖7所示。

圖7 軸系有限元模型

3.3 固有頻率分析

在不同預(yù)緊力作用下軸承具有不同的軸向和徑向剛度，進(jìn)而對軸系固有頻率有不同的影響。首先，計(jì)算出軸承在不同預(yù)緊力下軸承徑向剛度和軸向剛度的值，再利用有限元軟件計(jì)算出不同預(yù)緊力條件下軸系的固有頻率。如圖8所示，軸系的一階頻率隨著軸承預(yù)緊力的增大而增大。從而得出，隨著軸承預(yù)緊力的增大，軸系的固有頻率增大，為主軸臨界轉(zhuǎn)速的分析和預(yù)緊力大小的選擇，提供一定的理論支持。

圖8 預(yù)緊力與主軸一階固有頻率的關(guān)系

3.4 基座零部件應(yīng)力仿真

在ANSYS中，對套筒和箱體進(jìn)行整體分析。對箱體和套筒連接面進(jìn)行固定約束，受載體材料選用45鋼，材料密度ρ=7850 kg/m3，彈性模量E=2×1011Pa，泊松比為μ=0.3。在SolidWorks建立三維模型，并導(dǎo)入到ANSYS Workbench當(dāng)中，定義材料屬性、劃分網(wǎng)格。并根據(jù)實(shí)際情況，對基座和套筒施加載荷和約束條件，基座和套筒通過螺栓連接，接觸面施加綁定約束，基座底面施加固定約束[11]。主軸在切削中主要外載荷是切屑力，基座套筒變形也主要發(fā)生在徑向。因此，在套筒內(nèi)圈沿著徑向?qū)η疤淄埠秃筇淄矁?nèi)部分別施加403 N和103 N的徑向軸承載荷，添加完載荷之后，根據(jù)需求，在求解結(jié)果中添加應(yīng)力、變形的求解，求得結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 基座套筒受載應(yīng)力分布圖

圖10 基座套筒受載變形分布圖

由圖可知，最大的應(yīng)力應(yīng)變，發(fā)生在套筒承載區(qū)的邊緣，最大應(yīng)力為0.336 MPa，遠(yuǎn)小于抗拉和屈服強(qiáng)度；最大的變形量為0.000 26 mm?；鶅蓤A孔的的圓柱度為5 μm；基座和套筒內(nèi)孔的圓跳動為5 μm、圓度為2 μm、內(nèi)孔表面粗糙度為0.4Ra,其余表面為1.6Ra；套筒和基座采用H4/g4間隙配合的形式，裝配在無塵、恒溫的條件下進(jìn)行。參照機(jī)床設(shè)計(jì)手冊[12]，符合精密級機(jī)床床身設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種多工況精密機(jī)床主軸軸承試驗(yàn)臺，該試驗(yàn)臺可模擬機(jī)床主軸實(shí)際運(yùn)行工況，進(jìn)行可變外載荷、可變預(yù)緊力、可變主軸軸承安裝方式、可變轉(zhuǎn)速等條件下的試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，轉(zhuǎn)速可以通過變頻器進(jìn)行無級調(diào)節(jié)；預(yù)緊力和外載荷的大小通過壓電陶瓷驅(qū)動電源進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，對試驗(yàn)臺主軸以及支座進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求。該試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)合理，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的，可為不同工況精密機(jī)床主軸軸承提供有利的實(shí)驗(yàn)測試和數(shù)據(jù)支持。