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SL50 型數控車床主軸回轉精度的可靠度研究

2017-4-1 來源：南通職業大學機械工（gōng）程學院作者：張麗萍，李業農，周開俊

摘（zhāi）要：通過以 SL50 型數控車（chē）床的主軸組件為例，深（shēn）入分析了產生（shēng）主軸回轉誤差運動的原因，提出（chū）該數控車床主軸軸承的預緊力界定範圍。對該數（shù）控車床主軸軸承磨（mó）損情況做了可靠性統計分析，建立了主軸回轉精度壽命的可靠度模型，主軸軸承磨損量與其工作（zuò）小時數幾乎成線性關（guān）係。在該數控（kòng）車床工（gōng）作 15000 小時和 20000 小時（shí）後，分別檢測了主（zhǔ）軸徑向（xiàng）跳動（dòng）的誤差、主軸軸向竄動誤差和卡盤端（duān）麵跳動誤差，對主軸回轉精（jīng）度的下（xià）降情況做了統計分析（xī），並（bìng）進行了回轉精度可靠度計算。

關（guān）鍵詞：數控機床；主軸；軸承；磨損；回轉精度；統計分析；可靠度

1.引言

要提高數控機床的加工精度，除（chú）了要提高機床的剛度、抗振性和熱穩（wěn）定性外，首要的是提高主軸組件的幾何精度和回轉精度，在製造過程中可通過先裝配後精加工提高主軸的回轉精度[1] 。從統計分析結果看（kàn），軸承的主（zhǔ）要失效形式是接觸疲勞磨損、磨粒磨損、粘（zhān）著磨損和微動磨損[2-3]，鑒於此，筆者以 SL50 型（xíng）數控車床的主軸組件為例，就影響主軸組件的回轉精度的因素，尤其是主軸軸承磨損對主（zhǔ）軸回轉精度壽命影（yǐng）響的程度做了深入的（de）探討。

2.產生（shēng）主軸回轉誤差運動的主要原因分析

SL50 型數（shù）控車床（chuáng）的主軸部件，前支承為三個角接（jiē）觸球軸承，前麵（miàn）兩個軸承大口朝向主軸前端，以承受軸向（xiàng）和徑向切（qiē）削力；後麵軸承大口朝向主軸後端，三個（gè）軸（zhóu）承的內外圈軸向由軸（zhóu）肩和箱體孔的台階定位承受軸向負荷。後支承（chéng）由一對背靠背（bèi）的推力角接觸球軸承（chéng）組成，隻承受徑向載荷，並由後（hòu）壓套進行預緊，結構（gòu）如圖 1所示。

圖 1 SL50 型數控車床的主軸部件結構

一（yī）般數控車床而言，主（zhǔ）軸（zhóu）的（de）瞬時回（huí）轉軸線是經（jīng）常變動的。根據相對運動的（de）原（yuán）理，在任何瞬時，一方麵主軸繞自己的瞬時（shí）回轉軸線旋轉，另一方麵，該瞬時回轉軸線還相對理想回轉軸線作軸向的、徑向的和傾角的運動[4-5]。SL50 型數（shù）控車床的主軸（zhóu）部件也不可避免存在上述誤差運動。其主（zhǔ）要原因有：

（1）主軸支承軸頸的圓度誤差，如橢圓（yuán）、棱（léng）圓及較大的波紋，會造成主軸周（zhōu）期性徑向（xiàng）跳動誤差運動。主軸前後（hòu）支撐的不同軸及它們徑向跳動（dòng）的大小和方（fāng）向的不一致（zhì）性，會造成主軸（zhóu）的擺角誤差運動。

（2）主軸軸承，特別是前軸承的缺陷，如軸承套滾道的圓度誤差和（hé）波紋，滾動體直徑的不（bú）一致性及圓度誤差等，會造成主（zhǔ）軸的徑向誤差運動。軸承的支撐端麵對主軸回轉中心線的不（bú）垂直，軸承的滾道及滾動體的（de）誤差，會造成主軸周期性的和非周（zhōu）期性的軸向誤差運動。滾動軸承的摩（mó）擦和磨損，使主軸部件的各部分產生不同的熱變形，會造成主軸的徑向誤（wù）差運動和軸向誤差運動。

SL50 型數控車床是精密級機床，除了主軸支承軸頸、主軸前（qián）後支撐的不同軸等先天性誤差外，主軸軸（zhóu）承的自身誤（wù）差和安裝誤差也是（shì）引起主軸回（huí）轉誤（wù）差（chà）運動的主要因素之一。隻有經過嚴格的生產工藝過程控製，使上述的 2 項誤差（chà）降到最（zuì）小值。

3.主軸軸承的（de）預緊及磨損情況（kuàng）分析（xī）

由（yóu）於滾動軸承內部（bù）存在遊隙，適當預緊使（shǐ）各個滾動體都承受一定的預負荷，參加工作的滾動體數量增加，直徑略大的滾動體變形較大，使直徑較小的滾動體也承受載荷，從（cóng）各個方向支承內圈，故可以提高（gāo）軸承的回轉精度、壽命和剛度[5-6]。SL50 型數（shù）控車床在主軸剛起動時，箱體和軸承座還處於常溫狀（zhuàng）態，直接受（shòu）摩（mó）擦熱作用的滾動體（tǐ）和內外圈的溫（wēn）升最快，內部元件和外（wài）部元件的（de）溫差最大，當軸承各（gè）部分與箱體溫度相對穩定後，預（yù）緊力達到最大值並趨於（yú）穩定（dìng），實測表明（míng），預緊力的工況最大值以達（dá）到裝（zhuāng）配預緊力的 2 倍左右為宜。預緊力過大，會導致軸承發熱劇烈，加速軸承的磨損。

SL50 型數控車床的（de）主軸部件前支（zhī）承為三個角接觸球軸承，前兩個軸承串聯，與第三個背靠背組配。通過（guò）計算這種組配其軸承預緊力應不小於額定軸向載荷的四（sì）分之一，其次，這（zhè）種（zhǒng）高精密主軸前軸承允許溫升為 10℃，軸承生產廠商建議其應預緊力可控製在（1100～1300）N，這樣可有效提升軸承的回轉精度。預緊力（lì）再增大，軸承溫升會增大，反而（ér）會降低回轉精度。SL50 型（xíng）數控車床的主軸軸承為高精密角接觸球軸承，滾動體與座圈采用高質量的滾動軸承鋼製造，具（jù）有很（hěn）高的硬（yìng）度 HRC（60～65），很高的加工精度和很低的表麵粗糙度。該主軸軸承的接（jiē）觸疲勞強度是足夠的，不會產生接觸疲勞磨損。軸承（chéng）主要是由於磨（mó）粒磨（mó）損（sǔn）、粘著（zhe）磨損和微（wēi）動磨（mó）損而導致軸承的回轉（zhuǎn）精度（dù）下降，直至精度（dù）失效，故這種軸承的（de）壽命主要為精度（dù）壽命。

這種角接觸（chù）球軸承由於離心力和陀螺力矩的作用，滾動體鋼球（qiú）的自轉會產生（shēng）微（wēi）滑動。當轉速越高或接觸角越大，微滑（huá）動會越大。再者滾動體鋼（gāng）球與保持（chí）架（jià）是純滑動接觸（chù），二表麵之間的相對滑動摩擦，提高了軸承溫度，加大了軸承（chéng）磨損。造成軸承磨損的因素是多方麵的（de），多種因素作用下的軸承磨損更（gèng）加難以預測的防（fáng）止，軸承磨損（sǔn）使軸承的徑向遊隙和軸向遊隙增大，從而使主軸回轉精度（dù）降低。在跟綜（zōng）了 SL50 型（xíng）數控車床主軸的（de）工作情況（kuàng），主軸在工作10000 小時後，主軸回轉精度有一些下降，由（yóu）於機床具有一定的精度儲（chǔ）備，故機床沒有超出允許（xǔ）的回轉誤差範（fàn）圍；工作 15000 小時後，回轉精度繼續下（xià）降，比出廠時的誤差加大了 20%，少量用戶提出更換主軸軸承的要求（qiú）；工作 20000 小時後，回轉精度有較大下降，比出廠（chǎng）時的誤差加大了（le） 35%，部分用戶委托廠方或自行更換主軸軸承。究其原因，85%是由於主軸軸承磨損所致，軸承磨損量與主軸（zhóu）工作小（xiǎo）時數幾乎成線性關係。

4.主（zhǔ）軸回轉精度壽命的可靠度模型

主（zhǔ）軸回轉精度可靠度 R（t）指（zhǐ）主軸回（huí）轉運動誤差落（luò）在（zài）最大（dà）允許範圍內的概率。

圖 2 主軸軸承的（de）回轉精度壽命可靠度

由於主軸回轉運動誤差隨著時間（jiān） t 的增大而增大，使（shǐ）主軸回轉運動誤差的中心（xīn）發生漂移，散度增大，可靠度下降。當主軸工作了時間 t 後（hòu），主（zhǔ）軸軸（zhóu）承的精度失效概率 F（t）=1-R（t）明顯比初始時間增大了（le），如圖 2 所示。且平均誤差與主軸工作時間成線（xiàn）性關係[9]。當規定主軸軸承（chéng）精度壽命可靠度的大小後，便可由式（1）反推出主軸軸承的精度壽命。

5.主軸回轉精度可靠度計算

以 SL50 型數控車床為例，主軸的誤差（chà）運動的 3 種（zhǒng）基本形（xíng）式：即（jí）純徑向誤差（chà）運動、軸向（xiàng）誤差運（yùn）動和擺角（jiǎo）誤差運動。這些（xiē）基本形式很少獨立存在，往往是（shì）同時並存的。純徑向誤差運動和軸（zhóu）向誤差（chà）運動並存時的誤差運動稱（chēng）為（wéi）徑向（xiàng）誤差運動，它是指主軸（zhóu）回轉中心線 O1-O1在某一指定位（wèi）置（zhì）垂直於其理想（xiǎng）中（zhōng）心線（xiàn） O-O 線方向（xiàng）上的誤差運動。主軸徑向跳動的測量（liàng）位（wèi）置，如圖 3 所示 SL50 型數控車床初始工作期間，主（zhǔ）軸 a 點徑向跳動均值為 0.006，均方差為0.0010；b 點：主軸徑向跳動（dòng）均值為 0.011，均方差為 0.0021。主軸工作 15 000 小時後，a 點：主軸徑向跳動均值為 0.007，均方差為 0.0018；b 點：主軸徑（jìng）向跳動均值為 0.014，均方差為0.0035。主（zhǔ）軸工作 20000 小時後，a 點：主軸徑向跳動均值為0.008，均方差為 0.0021；b 點：主軸徑向跳動均（jun1）值為 0.016，均方差為（wéi） 0.0043。a 點：主軸徑向跳動允差為 0.010，b 點：主軸徑向跳動允差為 0.020。

圖 3 主軸徑向跳動的測量位置

軸（zhóu）向誤差運動和擺角誤差運（yùn）動並存時的誤差運動稱（chēng）為端麵誤（wù）差運動，它是指回轉（zhuǎn）主（zhǔ）軸的端麵在規定的徑向位置上（shàng）平行於理想回轉中心線的方向上誤差運動。SL50 型數控車床初始工（gōng）作期間，主軸中心軸向竄動誤差均值為（wéi） 0.006，均方差為 0.0010；d 點（距主軸回轉中心（xīn） 125mm 處）：主軸卡盤端麵跳動誤差均值為（wéi）0.011，均方差為 0.0020，如圖 4 所示。圖中：c 為回轉中心，卡盤上d 點的回轉半徑為 125mm主軸工作 15000 小時（shí）後，主軸中（zhōng）心 c 點：軸向竄動誤差（chà）均值為 0.007，均方（fāng）差為 0.0016；d 點：主軸卡盤端麵跳（tiào）動（dòng）誤差均值為0.014，均方差（chà）為 0.0036。主軸工作（zuò） 20000 小時後（hòu），主軸中心 c 點：軸向竄動誤差均值為 0.008，均方差為 0.0019；d 點：主軸卡盤端麵跳動誤差均值為 0.016，均方差為（wéi） 0.0042。

圖（tú） 4 主軸軸向竄動誤差和卡盤端麵跳（tiào）動誤差的測（cè）量位置

主軸軸（zhóu）向竄動誤差允（yǔn）差為 0.010，d 點：卡盤端麵（miàn）跳動誤（wù）差允差為 0.020。主軸初始工作期間，由式（1）計算，a、b、c、d 四點的精度可靠度：Ra（0）=Rb（0）=RC（0）=Rd（0）≈1運用可靠（kào）度（dù）的（de）計算方（fāng）法[10-11]，主軸工作 15000 小時（shí）後各點（diǎn）的精度可靠度：

通過上述計算（suàn）分析，主軸工作（zuò） 15000 小時後，各項（xiàng）誤差的均值和均方差均加大，離散度增大，說明主軸軸承（chéng）有一定的磨損，導致精度可靠度下降，但仍保持在 95%以上，該機床已不適（shì）宜加工一些重要的精密的零件。主軸工作 20000 小時後，主軸軸承磨損進一（yī）步加劇，精度可靠度下降很多，該機床隻能用於精度要求不高的加工，若想（xiǎng）恢複精度，可考慮（lǜ）送回（huí）機床生產廠進行大修（xiū），更換主軸軸（zhóu）承。

6.結論

主軸組件是數控機床的重要（yào）組成部件之一，它的精度（dù）壽命可靠度（dù）是數控機床的工作能力的一項重要指標。

（1）主軸軸（zhóu）承（chéng）誤差是引起主軸回轉誤差運動的主要因素之一。

（2）通過控製這種高精密（mì）主軸軸承的預緊力（lì），可有效提升軸承的回轉精度，降低軸承（chéng）溫升。

（3）當規定主（zhǔ）軸軸承精（jīng）度壽命可靠度的大小後，可反推出主軸軸（zhóu）承的精度壽命。

（4）主軸工作 15000 小時後，各項誤差的均值和均方差均加大，離散度增大，精度可靠度仍保（bǎo）持在 95%以上。

（5）主軸工作 20000 小時後，主軸（zhóu）軸承磨損導致精度可靠度下降到 82%，建議進行更換主軸軸承的機床（chuáng）大修。

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