落地鏜銑床主軸軸承溫升原因分析與解決方案

李剛利

（共享裝備股份有限公司，銀川 750021）

主軸軸承溫升是主軸系統(tǒng)的重要技術(shù)指標(biāo)。落地鏜銑床主要采用滑枕移動式結(jié)構(gòu)，其主軸傳動系統(tǒng)一般安裝在主軸箱內(nèi)后端。主軸箱使用整體框架式結(jié)構(gòu)，滑枕位于箱體內(nèi)部?；韮?nèi)裝的銑軸帶動鏜軸旋轉(zhuǎn)，鏜軸在銑軸內(nèi)移動。

1 主軸軸承溫升的主要影響因素

主軸部件的溫升包含切削熱、主軸軸承與傳動齒輪等部件的摩擦溫升等，其中主軸軸承的摩擦是溫升的主要原因。溫度劇烈變化會嚴重影響軸承間隙，進而影響機床精度。溫度分布不均，會造成零部件之間相互位置關(guān)系的變化，影響被加工工件的尺寸[1]。

1.1 軸承外圍零件的加工精度

軸承內(nèi)外圈為薄壁零件，極易因軸和軸承座的形位誤差產(chǎn)生變形，導(dǎo)致軸承精度下降，運轉(zhuǎn)溫升超標(biāo)。以某220 mm×300 mm×38 mm 的P6 級軸承為例，其外圈圓柱度為0.008 mm。若軸承安裝孔的圓柱度為0.020 mm，軸承安裝后外圈的圓柱度將接近安裝的圓柱度（P6 級軸承的外圈圓柱度為0.025 mm），軸承滾道變形，運轉(zhuǎn)工況惡化，溫升加劇。因此，軸承位尺寸、圓柱度、前后軸承位同心度、擋邊與軸線的垂直度等加工精度十分關(guān)鍵[2]。

1.2 軸承工作游隙的影響

軸承運轉(zhuǎn)時，內(nèi)部游隙（又稱工作游隙）的大小對軸承的疲勞壽命、溫升等性能有較大影響。為了提高精密機床主軸的徑向（軸向）定位精度、旋轉(zhuǎn)精度及剛性，通常在組裝軸承時施加一定的預(yù)緊量（負游隙）。但是隨著預(yù)緊量的增大，疲勞壽命顯著下降，軸承的溫升較高，當(dāng)工作游隙為微負值時，軸承的疲勞壽命最長。因此，適配軸承的游隙時，會將工作游隙調(diào)整為零或略有預(yù)緊[3]。

1.3 軸承的潤滑

軸承溫升和潤滑油供油量的關(guān)系如圖1 所示。在溫度曲線的中部軸承溫度最高，在供油量較小或足夠大時，軸承溫升較小。供油量過大時回油困難，而油氣潤滑可以使軸承在溫升相對小的區(qū)域工作，從而有效降低軸承溫升[4]。

圖1 供油量與軸承溫度關(guān)系曲線

1.4 散熱條件

散熱條件也是影響軸承溫升的重要因素，增大散熱面積或強制循環(huán)冷卻可以有效改善溫升。在滑枕結(jié)構(gòu)一定的情況下，強制循環(huán)冷卻是最適合的方法[5]。

2 主軸溫升的解決方案

通過分析可以看出，在保證加工精度的情況下，采用合理調(diào)整軸承工作游隙、增設(shè)主軸套強制冷卻和采用油氣潤滑的方法可以控制主軸溫升。

2.1 軸承安裝游隙的選擇計算

軸承運轉(zhuǎn)時，隨著軸承溫度的升高，工作游隙逐漸減小，即預(yù)緊量增大，疲勞壽命顯著縮短。因此，軸承組裝時的安裝游隙應(yīng)取正值，可控制在0 ～0.005 mm。軸承的工作游隙隨配合、運轉(zhuǎn)中溫度的條件而發(fā)生變化。以滾子軸承徑向游隙的變化為例，軸承的工作游隙比理論游隙（安裝游隙）小，如圖2所示。

圖2 滾子軸承徑向游隙

游隙關(guān)系式為

式中：ΔO為理論游隙，即裝配調(diào)整時的安裝游隙；Δ為工作游隙，即軸承運轉(zhuǎn)時的內(nèi)部游隙，一般取-0.005 ～-0.010 mm，過盈量為0.005 ～0.010 mm；ΔDe為外圈與孔配合產(chǎn)生的游隙減少量，一般為有效過盈量的70%～90%；ΔDi為內(nèi)圈與軸的配合產(chǎn)生的游隙減少量；Δt為內(nèi)外圈溫差產(chǎn)生的游隙減少量。

外圈與孔配合產(chǎn)生的游隙減少量，計算式為

式中：ΔD為外圈與孔的有效過盈量；D為殼體孔內(nèi)徑；D0為軸承外徑；De為外圈滾道直徑。

由軸承旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的摩擦熱，通過軸及外殼散去，外殼比軸的散熱條件好，因此外圈溫度較低，內(nèi)圈及滾動體溫度比外圈高5 ～10 ℃，高速旋轉(zhuǎn)或外圈加冷卻套后溫差會更高（增加冷卻套后實際測試內(nèi)外圈溫差為16 ℃）。徑向游隙因內(nèi)外圈的熱膨脹差而減少，減少量的計算公式為

式中：α為軸承鋼的線脹系數(shù)，取12.5×10-6℃-1；ΔT為內(nèi)外圈溫差。

按照游隙控制理論進行計算，TK6916 落地銑鏜床主軸軸承的工作游隙為-0.01 mm 時，徑向安裝游隙需控制在0.03 mm，實際安裝調(diào)整為0.02 mm。同時，與徑向安裝游隙為0.007 mm、轉(zhuǎn)速為700 r·min-1的主軸進行空運轉(zhuǎn)對比試驗，分析結(jié)果可知，軸承溫升降低4 ℃。

2.2 落地鏜主軸套強制冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 冷卻套材料的選擇

冷卻套多選擇與滑枕相同的鑄鐵材料。由于滑枕、銑軸等系統(tǒng)配合尺寸的限制，160 型號以上的落地鏜冷卻套一般長度大于1 000 mm，壁厚多為30 ～40 mm，加工后油道位可能在20 mm 左右，是典型長筒薄壁零件。目前，主流高剛性落地鏜滑枕采用QT600-3 以上的材料，但是此材質(zhì)的冷卻套加工后良品率低，縮松或砂眼嚴重，裝機后易出現(xiàn)滲漏，影響使用。采用HT300 離心鑄造的冷卻套，可以顯著解決鑄造缺陷問題。

2.2.2 冷卻套與滑枕配合尺寸的選擇

滑枕與冷卻套多分開加工裝配，兩者一般選擇間隙配合，滑枕安裝孔的精度等級一般選擇H7，圓柱度不大于0.008 mm，粗糙度小于1.6 μm。冷卻套外徑公差為-0.005 ～-0.010 mm，圓柱度為0.004 mm，粗糙度小于0.4 μm。

部分重型落地鏜銑床會選擇采用冷卻套先冷裝到滑枕上，再精加工軸承位的方法。由于冷卻套為薄壁零件，過盈量大，精加工后應(yīng)力釋放會引起孔的變形；過盈量小，加工時冷卻套與滑枕之間易產(chǎn)生相對移動?？紤]軸承與滑枕孔的最大過盈量為0.022 mm，為避免拆裝軸承引起套與滑枕的相對移動，套與滑枕孔的過盈量定為0.04 ～0.07 mm。實際大修拆解檢驗發(fā)現(xiàn)，此配合未出現(xiàn)滑枕孔精度不穩(wěn)定現(xiàn)象。

2.2.3 冷卻回路的密封

循環(huán)冷卻回路為單獨回路，需要與軸承潤滑回路隔離，潤滑進油及回油回路靠端面和螺紋密封膠進行密封。冷卻套循環(huán)回路的密封多為在主軸套軸承位兩端安裝O 形圈結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。冷裝主軸套無法使用O 形圈，這是因為O 形圈遇低溫冷卻套后變硬無彈性，安裝會造成O 形圈剪切破碎。對此，可以預(yù)先加工出密封臺階，主軸套冷裝后使用加長工具在臺階位安裝O 形圈，用半環(huán)壓實，實現(xiàn)軸向和徑向密封。

圖3 循環(huán)冷卻回路結(jié)構(gòu)

2.2.4 油冷機制冷量的選擇

油冷機的制冷量需要與主軸發(fā)熱量匹配，但是影響主軸發(fā)熱量的因素較多，不易確定，具體的估算公式為

式中：Q為油冷機制冷量，kW；P為主電機功率，kW；η為功率損失，取10%；φ為主軸功率損失所占比例，取40%。

油冷機有啟停，但是主軸錐孔溫度持續(xù)上升，說明熱交換不足，需要增加冷卻回路流量；油冷機持續(xù)制冷，說明油冷機制冷量小，應(yīng)加大油冷機制冷量[6]。

2.3 主軸軸承潤滑

油氣潤滑結(jié)合溫度探測是現(xiàn)階段較為先進的潤滑控制技術(shù)，電主軸、落地鏜銑床主軸等均采用此類潤滑方式。該技術(shù)以0.4 MPa 左右的壓縮空氣作為輸送載體，將紊流態(tài)的潤滑油輸送到潤滑點，耗油量少，具有一定冷卻效果，軸承溫升小且免維護，配合軸承溫度檢測報警可以有效避免供油異常造成的主軸損壞。

單位時間內(nèi)的油量需求由相應(yīng)設(shè)備參數(shù)和運行條件決定，可先估算，再實際測試修正供油量。單位時間內(nèi)的油量需求的估算公式為

式中：L為潤滑油需求量，mL·h-1；D'為軸承內(nèi)徑，mm；I為軸承的寬度，mm；β為校正系數(shù)，取0.01～0.03，其中0.01 適用于角接觸球軸承，0.02 適用于普通球軸承，0.03 適用于滾子軸承。

3 結(jié)語

通過實踐驗證，主軸軸承安裝尺寸精度差、游隙調(diào)整不當(dāng)是造成溫升的主要因素。在加工工藝水平一定的情況下，匹配合適的軸承軸向游隙，增設(shè)合理的主軸冷卻回路，同時采用油氣潤滑技術(shù)能夠有效控制主軸軸承的溫升。