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SL50 型數控車床主軸回轉精（jīng）度的可靠度研究

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

摘要：通過以 SL50 型數控車床的主軸組件為例，深入分析了產生主軸回轉誤差運動的（de）原因（yīn），提出該數控車床主軸軸承的預緊力界定範圍。對該數（shù）控（kòng）車床主軸軸承磨損情況做了可靠性統計分析，建立了（le）主軸回轉精度壽命的可（kě）靠度模型，主軸軸承磨損量與其工作（zuò）小時數（shù）幾乎成線性關係。在該數控（kòng）車床工作 15000 小時和 20000 小時後，分別檢測了（le）主軸徑向跳動的誤（wù）差、主軸軸向竄動誤差和卡盤端（duān）麵跳動（dòng）誤差，對（duì）主軸（zhóu）回轉精度的下降情況做了統（tǒng）計（jì）分析，並進行了回轉精度可靠（kào）度計算。

關鍵詞：數控機床（chuáng）；主軸；軸承；磨損；回轉精度；統計分析；可靠度

1.引言

要（yào）提高數控機床的加（jiā）工精度，除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（zhǔ）軸組件的（de）幾何精度和回轉精度，在製造過（guò）程中可通過先裝配後精（jīng）加工提高（gāo）主軸的回轉精度[1] 。從統計分析（xī）結果看，軸承的主要失效形式是接觸疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨損（sǔn）和微動磨損[2-3]，鑒於此，筆者以 SL50 型數控車床的主（zhǔ）軸組件為（wéi）例，就影（yǐng）響主軸組（zǔ）件的回（huí）轉精度的因素，尤其是主軸軸承磨損對主軸回轉精度壽命影（yǐng）響的程度做了深（shēn）入的探討。

2.產生主軸回轉誤差（chà）運動的主要原因分析

SL50 型數控車床的主軸部件，前支承（chéng）為三個角接觸球軸承（chéng），前麵兩個軸承大口朝向主軸前端，以承受軸向和徑向切削力（lì）；後麵軸承大口（kǒu）朝向主軸後端，三個軸承的內外圈軸向由軸肩和箱體孔的台階定位承受軸向負荷。後支承由一對背靠背的推力角（jiǎo）接觸球軸承組成（chéng），隻承受徑向載荷，並由後壓套進行預緊，結構如（rú）圖（tú） 1所示。

圖 1 SL50 型數控車床的主軸部件結構

一般數控車床而言（yán），主軸的瞬時回轉軸線是經常變動的。根據相對（duì）運動（dòng）的（de）原理，在任何瞬時，一方麵主軸繞自（zì）己的瞬時（shí）回轉軸線旋轉，另（lìng）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（hé）傾角的運動[4-5]。SL50 型數控車床的主軸部件也不可避免存在上述誤差運（yùn）動（dòng）。其主要原因有：

（1）主軸支承軸頸的圓度誤差（chà），如橢圓、棱圓及較大的波紋（wén），會造成主軸周期（qī）性徑向跳動誤差運動。主軸前後支撐的不同軸及它們徑向（xiàng）跳（tiào）動的大小和方向的不一致性，會造成主軸的擺角（jiǎo）誤（wù）差運（yùn）動。

（2）主軸軸承，特別（bié）是前軸（zhóu）承的缺陷（xiàn），如軸承套（tào）滾道的圓度誤差和波紋，滾動體直徑的不一致性及圓（yuán）度（dù）誤差等，會造成主軸的（de）徑向誤差運動。軸承的支撐端麵（miàn）對主軸回轉中心線的不垂直，軸承的（de）滾道及滾（gǔn）動體的誤差，會造（zào）成（chéng）主軸周期性的和非周期性的軸向（xiàng）誤差運動。滾動軸承（chéng）的摩擦和磨損，使（shǐ）主軸部件的各部分（fèn）產生不（bú）同的熱變形，會造成主軸的徑向誤差（chà）運動和軸向誤差運動。

SL50 型（xíng）數控車床是精密級機床，除了主軸支承軸頸、主軸前後（hòu）支撐的不同軸等先（xiān）天性誤差外，主軸軸承的自身誤差和安裝（zhuāng）誤差也是引起主軸回轉（zhuǎn）誤差運動（dòng）的（de）主要因素之一。隻有經過嚴格的生產工藝過程控製，使上（shàng）述的 2 項誤差降到最小值。

3.主軸軸承的預緊及磨損情況分析

由於滾動軸承內部存在（zài）遊隙，適當預緊（jǐn）使各個（gè）滾動體都承受一定的預負荷，參加工作的（de）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，從各個方（fāng）向支承內圈（quān），故可以提（tí）高軸承的回轉精度、壽命和剛度（dù）[5-6]。SL50 型數控車（chē）床在主軸剛起動時，箱（xiāng）體和（hé）軸承座還處於常溫狀態，直接受摩擦熱作（zuò）用的滾動體和（hé）內（nèi）外圈的溫升最快，內（nèi）部元件和外部元件的溫差最大，當軸承各部分與箱體溫度相對穩定後，預緊力達到最大值並趨於穩定，實測表明，預緊力的工況最大值以達到裝配預緊力的 2 倍左右（yòu）為（wéi）宜。預緊力過大，會導致軸承（chéng）發（fā）熱劇烈（liè），加速軸承的磨損。

SL50 型數（shù）控車床的主軸部件前（qián）支承為三個角（jiǎo）接觸球軸承，前兩個（gè）軸承串聯，與第三個背靠背組配。通過（guò）計算（suàn）這種組配其軸承預緊力應不小於額定軸向載荷的四分之一，其次，這種高精密主軸前軸承允許溫升為 10℃，軸承生產廠商建議其應（yīng）預緊力可控製（zhì）在（zài）（1100～1300）N，這樣可有效提升（shēng）軸承（chéng）的回轉精度（dù）。預緊力（lì）再（zài）增大，軸承溫升會增大，反而會降低回轉精度（dù）。SL50 型數控（kòng）車床的（de）主軸軸承為（wéi）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（gāng）製造，具有很高的硬度 HRC（60～65），很高的加工精度和很低的表麵粗糙（cāo）度（dù）。該主軸軸承（chéng）的接觸疲勞強度是足夠（gòu）的，不會產（chǎn）生接觸疲勞磨損。軸承主要是由（yóu）於（yú）磨粒磨損（sǔn）、粘著磨損和微動磨損而導致軸承的回轉精（jīng）度下（xià）降，直至精度失效，故這種軸承的壽（shòu）命主要為精（jīng）度壽（shòu）命。

這種角接觸球軸承由於離心力和陀螺力矩（jǔ）的作用（yòng），滾動體鋼球的自轉會產生微滑動。當轉速越高或接觸角（jiǎo）越大，微滑動會越大。再者滾動體鋼球與保持架是純滑動接觸，二表麵之間的（de）相對滑動（dòng）摩擦，提（tí）高了軸承溫度，加大了軸承磨損。造成軸承磨損的因素是多方麵的，多種因素作用下的軸承磨損更加難以預測的防止，軸（zhóu）承磨損（sǔn）使軸承的徑向遊隙（xì）和軸（zhóu）向遊隙增大（dà），從而使主軸回轉精度降低。在跟綜了 SL50 型數（shù）控（kòng）車床主軸的工作情況，主軸在工（gōng）作10000 小時後，主軸回轉精度有一些下（xià）降，由於機床具有一定（dìng）的精度儲備，故（gù）機床沒有超出允許的回轉誤差（chà）範圍；工作（zuò） 15000 小時後，回轉精度繼續（xù）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（yào）求；工作 20000 小時後，回轉精（jīng）度有較大下降，比出廠時（shí）的誤差加大了 35%，部分用（yòng）戶委托廠（chǎng）方或自行更（gèng）換主軸軸承。究其原因（yīn），85%是由於主（zhǔ）軸軸承磨損（sǔn）所致，軸承磨損量與主軸工作小時數幾（jǐ）乎成線性關係。

4.主軸回轉精度（dù）壽命（mìng）的可靠度模型

主軸回轉精度可靠度 R（t）指主軸回轉運動誤差落在最大允許範（fàn）圍內的概（gài）率。

圖 2 主軸軸承的回轉精度壽命可靠度

由於主（zhǔ）軸回轉運動誤差隨著時間 t 的增大而增大，使主軸回轉（zhuǎn）運動誤差的中心發生漂移，散度增大，可靠度下降（jiàng）。當主軸工作（zuò）了時間 t 後，主軸軸承的精度失效概（gài）率（lǜ） F（t）=1-R（t）明顯比初（chū）始時間增大了，如圖 2 所示。且平均誤差與（yǔ）主軸工作時間成線性關係[9]。當規定主軸軸承精度壽命可靠度的大（dà）小後，便可由式（1）反推出（chū）主軸軸承的精度壽命。

5.主軸回轉精度可靠度計算（suàn）

以 SL50 型數控車床為例，主（zhǔ）軸的誤（wù）差運動的 3 種（zhǒng）基本形式（shì）：即純徑向（xiàng）誤差（chà）運動、軸向誤差運動和擺角誤（wù）差運動。這（zhè）些基本形式很少（shǎo）獨立存在（zài），往往是同時並存的。純徑向誤差（chà）運動和軸向誤差運動並存時的誤差運動稱為徑向誤差運動，它是指主軸回轉中心線 O1-O1在（zài）某一指（zhǐ）定位置垂（chuí）直於其（qí）理想中心線 O-O 線方向上的（de）誤差運動。主軸（zhóu）徑向跳（tiào）動的測量位置，如圖 3 所示 SL50 型數控車床初始工作（zuò）期（qī）間，主軸 a 點徑向跳（tiào）動均值為 0.006，均方差為0.0010；b 點：主軸徑向跳動均值為 0.011，均（jun1）方（fāng）差為 0.0021。主軸工作 15 000 小時後，a 點：主軸徑向跳（tiào）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（xiàng）跳動均（jun1）值為 0.016，均方差為 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（xiàng）跳動的測量位置

軸向誤差運動和（hé）擺角誤差運動並存時的誤差運動稱為端麵誤差運動（dòng），它是指回轉主軸的端麵在規定的徑向位置（zhì）上平行於理想回轉（zhuǎn）中心（xīn）線的方（fāng）向上誤差運動。SL50 型（xíng）數控車床初（chū）始工作期間，主軸中（zhōng）心軸向竄動誤（wù）差均（jun1）值為 0.006，均方差為 0.0010；d 點（距主軸回轉中心 125mm 處）：主軸卡盤端麵跳動誤差均值為0.011，均方差為 0.0020，如圖 4 所示。圖中（zhōng）：c 為回轉中心，卡（kǎ）盤上d 點的回轉半徑為 125mm主軸工作 15000 小時後，主（zhǔ）軸中心 c 點：軸向竄動誤差均（jun1）值為 0.007，均方差為 0.0016；d 點：主軸卡盤端麵跳動誤差均值為0.014，均方差為 0.0036。主軸工作 20000 小時後，主軸中心 c 點：軸向竄動誤差均值為 0.008，均方差為（wéi） 0.0019；d 點：主軸卡（kǎ）盤端麵跳動誤差均值為 0.016，均方差為 0.0042。

圖 4 主（zhǔ）軸軸向（xiàng）竄動誤差和卡盤端麵跳動誤差的測量位（wèi）置

主軸軸向竄動誤差允差為 0.010，d 點：卡（kǎ）盤端麵（miàn）跳動（dòng）誤差允差為 0.020。主軸初始（shǐ）工作期間，由式（1）計算，a、b、c、d 四點（diǎn）的精度可靠度：Ra（0）=Rb（0）=RC（0）=Rd（0）≈1運用可靠度的計算方法[10-11]，主軸工作 15000 小時後（hòu）各點的精度可靠（kào）度：

通過上述（shù）計算分析，主軸工作 15000 小（xiǎo）時後，各項誤差的均值和均方差均加大，離散度增大，說明（míng）主軸軸承（chéng）有一定的（de）磨損，導致精度可靠度下降，但仍保持在（zài） 95%以上，該機床已不適（shì）宜加工一些重要（yào）的精密的零件。主軸工作 20000 小時後，主軸軸（zhóu）承磨損進一步加（jiā）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，若想恢（huī）複精度，可（kě）考慮送回機床生產廠（chǎng）進行大修，更（gèng）換主軸軸承。

6.結論

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

（1）主軸軸承誤差是引（yǐn）起主軸回轉誤差運（yùn）動的主要因素之一。

（2）通過控製這種高精密主軸軸（zhóu）承的預緊（jǐn）力（lì），可（kě）有效提（tí）升（shēng）軸承的回（huí）轉（zhuǎn）精（jīng）度，降低軸承溫升。

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

（4）主軸工作 15000 小時（shí）後，各項誤差的均值和均方差均加大，離散度增大，精度可靠度仍保持（chí）在 95%以（yǐ）上。

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

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