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Y7520X1500螺紋磨床（chuáng）磨頭軸承改造方案

2024-10-14 來源：南京工藝裝備製（zhì）造有限公司作者：彭朝勝

【摘（zhāi）要】擬對絲杠車間精磨工（gōng）段（duàn）上海機床（chuáng）廠Y7520X1500螺紋（wén）磨床的（de）主軸單元進（jìn）行改造，磨頭部分利用滾動軸承（chéng）裝配方式代替原有（yǒu）的滑動軸承（靜壓主軸（zhóu）），解決維修周期長、維修困（kùn）難、維修費用高的缺（quē）點（diǎn），同時能夠（gòu）達（dá）到同樣的磨削表（biǎo）麵（miàn）質（zhì）量。

一、設備原有砂輪磨（mó）頭單元結構簡介

Y7520X1500螺紋磨床是上海機床廠早期產品，其砂輪磨頭磨削單元配置的是靜壓（yā）主軸，采用靜（jìng）力潤滑的滑動（dòng）軸承稱為靜壓軸承。主軸單元裝的靜壓軸承（見圖1），主軸直徑60mm。由外部的潤滑油泵提供壓力油來形成壓力油膜（mó），以（yǐ）承受載荷。靜壓軸承的主要特點之一，是在完全靜止（zhǐ）的狀態下，也能（néng）建（jiàn）立起承載油膜，從而保證在啟動階段摩擦副（fù）兩表麵也沒（méi）有（yǒu）直接接觸（chù）。因此，啟動采用靜壓軸承的轉子時，必須先（xiān）啟動靜壓潤（rùn）滑係統。利用（yòng）壓力泵將壓力油泵入軸承和軸之間的微小（xiǎo）間隙的滑動軸承（見圖2），當油泵開動後，待壓力（lì）油進入軸承，各油腔達到規定的壓力時（0.8MPa左右），主軸（zhóu）才開始（shǐ）工作。啟動和運轉期間摩擦副均被壓（yā）力油膜（mó）隔開，滑動阻力僅來自（zì）流體粘性，摩擦因數（shù）小、工作壽命長。靜壓軸承有"均化"誤差的作用，能減小製造中不確定性產生的影響，摩擦副（fù）表麵上的壓力比較（jiào）均勻，軸（zhóu）承的可靠性和壽命較高，但缺點是：維修周期長、維修（xiū）困難（nán）、維修費用高。該設備也是因為年（nián）代已久，偶爾出現主軸“抱死”現象（xiàng），主軸也（yě）受過傷，磨削表麵質量很差，振紋嚴重（chóng）。隨著公司的發展要求，靜壓主（zhǔ）軸不能適應生產（chǎn）保障需要（yào）。

二、Y7520X1500螺紋磨床（chuáng）磨頭靜壓（yā）軸

承改滾動軸（zhóu）承簡介

目前市場上（shàng）主（zhǔ）流螺紋磨床如上海機床廠有限公（gōng）司、三井精機、MATRIX等螺紋磨床（chuáng）的砂輪磨頭磨削單元均采用滾動軸承（chéng）結構形式。基於上述機床在實際使用過（guò）程中的表現來看，滾（gǔn）動軸承結構形式的主軸磨削的表麵質量（liàng）良好，同時主軸維護保（bǎo）障及時性也能得到極大的（de）提升。基於上述情（qíng）況，實際測繪Y7520X1500螺紋磨床磨頭的結（jié）構尺寸（cùn），選擇合適的滾動軸承設計滾動（dòng）磨頭。

采用滾動軸承結構製造出的滾動磨（mó）頭與靜壓磨頭相比，滾（gǔn）動磨頭（tóu）具（jù）有下列優點：

(1)應用設計簡單，產品已標準化，並由專（zhuān）業（yè）生產廠家進行（háng）大批量生產，具有優良的互換性和（hé）通用性。

(2)起動摩擦力矩低，功（gōng）率損（sǔn）耗小，滾動軸承效率（lǜ）高（0.98~0.99）。

(3)負荷（hé）、轉速和工作溫度的適應範（fàn）圍寬，工況條件的少量變化對（duì）軸承性（xìng）能影響不大（dà）。

(4)大多數類型的軸承能同時承受徑向和軸向載荷，軸向尺寸（cùn）較（jiào）小。

(5)易（yì）於潤滑、維（wéi）護及保養。結合上（shàng）麵（miàn）優點，隨著這幾年滾動軸承精度的不斷提高，有必要對其軸承方（fāng）式進（jìn）行改造，以提高（gāo）工廠生產效率和減小維（wéi）修成本。

三（sān）、Y7520X1500螺紋磨床磨頭靜壓軸

承改滾動軸承改（gǎi）造方案

1．磨頭結構的選擇

滾動（dòng）軸承結構形式的（de）主軸（磨頭）在機床上有較為廣泛的應用，比如數控車（chē）、加工中（zhōng）心等機（jī）床主軸支承根據主軸部（bù）件的（de）轉速、承（chéng）載能力及回轉精度等要求的（de）不同而采用不同種類的軸承（chéng）。在各種類型的軸承中，以滾（gǔn）動軸承的使用最（zuì）為普遍，而磨（mó）床主軸滾動軸承的（de）常見配（pèi）置形式如（rú）下幾種：

第一種，如圖1所示，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸球軸承（chéng）組合，承（chéng）受徑向載荷和軸向載荷，後支承采用成對角（jiǎo）接觸球（qiú）軸承，這種配置可提高主軸的（de）綜合剛度，滿（mǎn）足強力切削的要求，普遍應用於各（gè）類（lèi）數控機床，

隻是在精度上麵弱一點。

圖1

第二種，如圖2所示，前軸承采用角接（jiē）觸球軸承（chéng），由2～4個軸承組成一套，背靠背（bèi）安裝，承受徑向載荷和軸向（xiàng）載荷，後支承采用雙列短圓柱滾子軸（zhóu）承（chéng），這種配置適（shì）用於高速、重載的主軸部件。

圖2

第三種，如圖3所示，前後支承均采用成對角接觸（chù）球（qiú）軸承，以承（chéng）受徑向載荷和（hé）軸（zhóu）向載荷（hé），這（zhè）種（zhǒng）配置適用於高速、輕載和（hé）精密的數控機床主軸。

圖3

根據螺紋磨床磨頭高精密、輕載（zǎi）、高速的使用需求，我們選擇了第三種的軸（zhóu）承配置方案。在第三種結構上進行優化，考慮到螺紋磨床屬於（yú）成型磨削，在磨頭軸串和徑跳要求都很高，基本上磨頭徑跳（tiào）0.002mm以內，軸（zhóu）串（chuàn）為0.最終選擇結構為前4後2的結構形式。前麵4隻（zhī）萬能配對的角接（jiē）觸球軸承（見（jiàn）圖4），後麵2隻萬能配對的（de）角接觸（chù）球軸承支持形式（見圖5）。

圖4 圖5

2.磨頭結（jié）構中配置形式中的預緊問題

螺紋磨磨頭要求運行順暢，同時（shí）還要保障良好的精度，這就要（yào）求在滾動軸承安（ān）裝過程中掌握好預緊的問題。使滾動（dòng）體與套圈滾道（dào）處於適當（dāng）的預壓緊狀態，稱（chēng）為滾動軸承的預緊。軸（zhóu）承預緊（jǐn）的目的是為了提高運轉中的轉動精度和支承剛度，減（jiǎn）小振動和噪聲，並且減輕由於慣性轉矩等因素所（suǒ）引起的軸承滾動體相對於軸承內、外套滾道的相對滑動。角接觸軸承及對旋轉（zhuǎn）精度和剛度有較高要求的軸係通常都采用預緊方法。對主軸滾（gǔn）動軸承（chéng）進行（háng）預緊和合理選擇預緊量，可以提高主軸部（bù）件的回轉精度（dù）、剛度和（hé）抗（kàng）振性。

在磨頭裝配後可以通（tōng）過單手盤動主軸的方式來判斷預緊力是（shì）否合（hé）適，在其他螺紋磨（mó）床的滾動（dòng）磨頭經驗來看，通常是8~10轉參考預緊（jǐn）力。注意預緊力（lì）過（guò）大（dà）會使磨頭溫升異常，降低磨頭使用壽命，同時磨削表麵質量也得不（bú）到保證。

3.軸承的（de）選型

根據螺紋磨床磨頭的高精度和高（gāo）速的工況需求，考慮市場上（shàng）的主軸軸承。主軸軸承是由實體內（nèi）圈、外圈、球、以及實體窗式保持架組成的單列角接觸球（qiú）軸承。主軸軸承不可拆分，主軸（zhóu）軸承的公差範圍非常小，非常適合於高導向精度和高速工況下的軸承布（bù）置。在接觸（chù）角方麵，考慮承載屬於輕型承載，故主軸軸（zhóu）承的接觸角=15°(後綴C)。

在基於原有主軸尺寸情況（kuàng）下，主要考慮磨（mó）頭需要克服的磨削力，其他如（rú）冷卻油阻力、螺（luó）旋角造成的阻力等可以忽略。考慮該機床的（de）加工範圍，絲杠直徑20~80mm,球徑15.875mm以內(砂輪使用16mm)。磨削砂輪線速（sù）度（工藝要求）不小於30m/s；絲杠材料為Gr15,淬（cuì）火硬度60~62HCR，現將絲杠加工時的磨削力計算如下（參考外圓（yuán）磨普通砂輪）：　

（1）磨削（xuē）力的計算

Fn=k*Ft=k*UC*a e*V w*b/V s

其中：

K=4（淬火工件）；

Uc=比磨削能60J/mm3；

a e=磨削深（shēn）度：最大0.08mm；

V w=進給最大速度（dù）83mm/s（絲杠外圓線速度）；

b=砂輪最大接觸寬度16mm；

V s=磨削線速（sù）度30m/s；

計算得到：Fn=849.9N

考慮到絲杠的（de）雙R且偏心（xīn）如圖6所示，需將近（jìn）似圓弧轉換到直（zhí）線截型計算，從圖中砂輪半圓（yuán）下方15°，從而近似（sì）計算磨削力為:

Fn’=Fn*π*R/2R*（180-15*2）/180=1.3Fn=1104N

圖6

（2）磨頭（tóu）主軸軸承轉速計算

螺紋磨（mó）磨削使用的新砂輪外（wài）徑500mm,最小使用到350mm，滿足砂輪（lún）線速度恒定30m/s的要求，則以最（zuì）小砂輪直徑350mm計算主軸轉速，轉速計算公式：主軸轉速n=切削線速（sù）度（dù）V s /（3.14*砂輪直徑（jìng））*60=1637r/min

（3）軸承型號確定

考慮到原有主軸的剛性滿（mǎn）足度（dù），仍然保持原有主軸的直徑60mm不變，在此基（jī）礎上設計磨頭結（jié）構，綜合考慮軸承的裝配工藝性，確定前端2組B7012-C-T-P4S-UL（4隻）後端（duān）1組B7010-C-T-P4S-UL（2隻）。

4．磨頭設計與製造

（1）測繪原有磨頭殼體尺寸，整體考慮布局設計磨頭，裝配圖如圖7所示。

圖7

（2）磨頭主（zhǔ）軸的設計與製造（zào）

①磨頭主軸設計：磨頭主軸（圖7）是本次改（gǎi）造項目（mù）的最關鍵零（líng）件，特別是主軸（zhóu）的材料選擇和工藝，對項目的成功起到（dào）決定性作用。

圖8

②主軸材料及（jí）工藝：基（jī）於考慮（lǜ）該主軸有很高的心部強度、優良的耐疲勞性能、畸（jī）變量小，同時表麵有很高的硬度，避免裝配和使用過程中與軸承磨損，選（xuǎn）擇38CrMoAlA材料。38CrMoAL是高級氮化鋼，是在普通碳素鋼基礎上，在（zài）一定溫度下一定（dìng）介（jiè）質中使氮原子滲入工件表層，使其獲得高耐磨性、高疲勞強（qiáng）度、高強度、耐腐蝕、耐高溫等（děng）特性。

工藝路線：鍛造 → 正火 → 粗車 → 調質處理 → 精加工（銑床、鉗等） → 高（gāo）頻淬火（huǒ）（滲氮淬火） → 精磨，其（qí）中錐度1∶5與錐規套配磨作色檢查、其接（jiē）觸麵不得小於85%、且大端（duān）先接觸。

（3）磨頭主軸及其軸承的安裝

利用原有（yǒu）的（de）鑄件殼體進行改造加工，製做前後軸承安裝法蘭、壓蓋等（děng），完成安裝。主軸軸承壽命短或過早的喪失精度，在相（xiàng）當大的程度上是由於沒有嚴格按照（zhào）主軸軸承使用要求進行安裝。軸承安裝注意事項：

①安裝前必須要清洗軸（zhóu）承（chéng）,清洗幹（gàn）淨後再塗上幹淨優質或耐高速高溫的潤滑脂。

②在主軸軸承安裝內圈時，一般都由軸肩在一麵固（gù）定軸承的位置（zhì），而另一麵則用螺母、止動墊（diàn）圈或（huò）彈簧檔圈等固（gù）定，所以在預緊力（lì）方麵一定要控製，使用力矩扳手進行預緊。

③軸承的安裝最好用冷裝（zhuāng）法（fǎ），即將主軸放冰箱冷凍（dòng）後（hòu）裝上軸承，避（bì）免了敲擊引起的軸承精度喪失。同時注意裝配時主軸冷凝水的處理，避免（miǎn）主軸、軸承生鏽。

④裝配後，主軸的徑跳0.002mm以內，軸向竄動：0.000mm，間隙0.001mm，完全滿足生產工藝要（yào）求，且試（shì）轉後溫升不超（chāo）過38 oC。

5．軸承承載力和轉速的校核

軸承的承載力往往體現在軸承壽命方麵，在此結構基礎上驗（yàn）證軸承壽命。

Lh=106/60*n*(f 1*C/P)ε

Lh=基本額定壽命（h）

n=主軸工作轉速（1637r/min）

f 1=溫度係數，工作溫度小於120℃，取1

C=基本額定動（dòng）載荷，查表為62.1X2=124.2KN

P=當量動載荷，考慮砂（shā）輪主軸與主（zhǔ）軸軸承的力矩（jǔ）關係

（65/2+30+15+72）*Fn’=P*72可得P=2292N

ε=壽命指數，球軸承（chéng）取3

綜合上數（shù）據計算軸（zhóu）承L h=27131小時≈3年，滿足使（shǐ）用（yòng）要求。

在油脂潤滑方式下，查得極限轉速3800r/min,滿足最大工作轉速要求（qiú）。

四、改造效果

該設備經過改造後，使用和維護成本大幅降低，維（wéi）修要求也降低不少，本單位維修（xiū）鉗工就（jiù）能完成更換軸承，維修效（xiào）率高。由於該項改造滾動（dòng）軸承的支撐力強（qiáng），整個磨（mó）頭（tóu）主軸剛性增強，可以進行大吃（chī）刀磨（mó）削，且沒有出現磨削表麵（miàn）振紋現象，經（jīng）過檢測磨削滾道表麵（miàn）光潔度不（bú）低於Ra0.4。

五、小結

這幾（jǐ）年隨（suí）著滾動功能部件行業的發展，現（xiàn）在角接觸（chù）球軸承的製造精度也越來越高，無論它的工作精度和自身的剛性都能滿（mǎn）足精密和超精密加工了，以前的滑動軸承存在使（shǐ）用環境要求（qiú）高（gāo）、維修困（kùn）難、維修成本高、精度喪（sàng）失難恢複等缺點，應漸漸讓滾動軸承替代。以後我們計劃把單位裏麵的老舊的靜壓（yā）主軸（zhóu）逐步改造為滾動軸承形式，不（bú）斷（duàn）提升企業（yè）自身設備改造能力。

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