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SL50 型數控車床主軸回轉精（jīng）度的可靠度研究（jiū）

2017-4-1 來源：南通職業大（dà）學機械工程學院作者：張麗萍（píng），李業農，周開俊（jun4）

摘要：通過以 SL50 型數（shù）控車床的主軸組件為例，深入分析了產生主軸回轉誤差運（yùn）動的原因，提出該（gāi）數控車床主軸軸承的預緊力界定範圍。對該數控車床主軸軸承磨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小時數幾乎成線性關係。在該數控車床（chuáng）工作 15000 小時和（hé） 20000 小時（shí）後，分別檢測了（le）主軸徑向跳動的誤差、主軸軸向（xiàng）竄動誤（wù）差和卡盤端麵跳動誤差，對主軸回轉精度的下降情況做（zuò）了統計分析，並進行了回轉精度可靠度計算。

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

1.引言

要提高數控（kòng）機床的加工精（jīng）度，除（chú）了要提高機床的剛度、抗振性和熱穩定性外，首要（yào）的是提高主軸組件的幾何精度和（hé）回轉精度，在製造過程（chéng）中可通過先裝配後（hòu）精加工提高主軸的回轉精度[1] 。從（cóng）統計分析結果看，軸承的主要失效形式是接觸（chù）疲勞磨損、磨粒磨損、粘著磨（mó）損和微動（dòng）磨損[2-3]，鑒於此，筆者以 SL50 型數控車（chē）床的主軸組件為例，就影響主軸組件的回（huí）轉精度的（de）因素，尤其是主軸軸承磨損（sǔn）對主軸回轉精度壽（shòu）命影響（xiǎng）的程度做了深入的探討。

2.產生主軸回轉誤差運動的主（zhǔ）要原因分析

SL50 型數控車床的主軸部件，前（qián）支承（chéng）為（wéi）三個角接觸（chù）球軸承，前麵兩個軸承大口朝（cháo）向主軸前端，以承受軸向（xiàng）和徑向切削（xuē）力；後麵軸承大口朝向主軸後端，三個軸承的內外圈軸向由軸肩和箱（xiāng）體孔的台階定位承受軸向負荷。後支承由一對背（bèi）靠背的推力角接觸球軸承組成，隻承受徑向載荷，並由後壓套進行預緊，結構如圖 1所示。

圖 1 SL50 型數控車床的主軸部件結（jié）構

一般數控車床而言，主軸的瞬時回轉軸線是經常變動的。根據相對運動的原理，在（zài）任何瞬時，一方麵主軸繞自己的瞬時回轉軸線旋（xuán）轉，另一（yī）方麵，該瞬時回轉軸（zhóu）線還相（xiàng）對理想回轉軸線作軸向的、徑向的和傾角的（de）運動[4-5]。SL50 型數控車床的主軸部件也不可避免存（cún）在上述誤差運動。其主要（yào）原因有：

（1）主軸（zhóu）支承（chéng）軸頸的圓度誤差，如橢（tuǒ）圓、棱圓（yuán）及較大的波（bō）紋，會造成主（zhǔ）軸周期性徑向跳（tiào）動（dòng）誤差運（yùn）動。主（zhǔ）軸前後支撐的不同軸及它們徑（jìng）向跳動的（de）大小和方向的不一（yī）致性（xìng），會造成主軸的擺角誤差運動（dòng）。

（2）主軸（zhóu）軸承，特別是前軸承的缺陷，如軸承套滾道的圓度誤差和波紋，滾動（dòng）體直徑（jìng）的不一致性及圓度誤差等（děng），會造成主軸的（de）徑向誤差運動。軸承的支撐端麵對主軸回轉中（zhōng）心線的不垂直（zhí），軸承的滾道（dào）及滾動體的誤差，會造（zào）成主軸周期性的和（hé）非周期性的軸向（xiàng）誤差運（yùn）動。滾動軸承的摩擦和磨損，使主（zhǔ）軸部（bù）件的各部分產生不（bú）同的熱變（biàn）形，會造成主軸的（de）徑向誤差運動和（hé）軸向誤差運動。

SL50 型數控車床是精密級機床，除了主軸（zhóu）支承軸頸、主軸（zhóu）前後支撐的不同軸等先天性誤差外（wài），主軸（zhóu）軸承的自身誤差和安（ān）裝誤差也是引起（qǐ）主軸回轉誤差運動（dòng）的主要因素之一。隻有經過嚴格的（de）生（shēng）產（chǎn）工藝過程控（kòng）製，使（shǐ）上述的（de） 2 項誤差降到最小值（zhí）。

3.主軸軸承的（de）預（yù）緊及磨損情況分析

由於滾動軸承內部存在遊隙，適當預緊使各個滾動體都承（chéng）受一定的（de）預負荷，參加工作（zuò）的滾動體（tǐ）數量增加，直徑（jìng）略大的（de）滾動體（tǐ）變形較大，使直徑較小的（de）滾動體也承受載荷，從各個方向支承內圈，故可以提高軸承（chéng）的回轉精度、壽命和剛度[5-6]。SL50 型數控車床在主軸剛起動時，箱體和軸承座還處於常溫狀態，直接受摩擦熱作用的（de）滾（gǔn）動體和內（nèi）外圈的溫升最快（kuài），內部元件和外部元（yuán）件的溫差最（zuì）大（dà），當軸承各部分與箱體溫（wēn）度相對穩定後，預緊力達（dá）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 倍左右為宜。預（yù）緊力過大，會導致軸承發熱劇烈，加速（sù）軸承的磨損。

SL50 型數控（kòng）車床的主軸部件前支承為三個角接觸球軸承，前（qián）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（hé）的四分之（zhī）一，其次（cì），這（zhè）種高精密主軸前軸承允許（xǔ）溫（wēn）升（shēng）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（xiào）提升軸承的（de）回轉精度。預緊力再增大，軸（zhóu）承溫升會增大，反而會降低回轉精（jīng）度。SL50 型（xíng）數控（kòng）車床的主軸（zhóu）軸承為高精（jīng）密角接觸球軸承，滾動體與座圈（quān）采用高質量的滾動軸承鋼製造，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度。該主軸軸承的接觸疲勞強度是足夠的，不會產生接觸疲勞磨損。軸承主要是由於磨粒磨損、粘著磨（mó）損（sǔn）和微動磨損而導致軸承的回轉精度下降，直至精度失效，故這種軸承的壽（shòu）命主要為精度（dù）壽命。

這種角接觸球軸承由於離心力和陀螺力矩的（de）作（zuò）用，滾動體鋼球的自轉會產生微滑（huá）動。當轉（zhuǎn）速越高或接（jiē）觸角越大，微（wēi）滑動會越大。再者滾動體鋼球與保持架是純（chún）滑動接觸，二表麵之間的相對滑動摩擦，提（tí）高了軸承溫度，加大了軸承磨損。造成軸承磨損的因（yīn）素是多方麵的，多種因素作用（yòng）下的軸承（chéng）磨損更加難以預（yù）測的防止，軸承磨損（sǔn）使軸承的徑向遊隙和軸向遊隙增大，從（cóng）而（ér）使主軸回轉精度降低（dī）。在跟綜了 SL50 型數控車（chē）床主軸的工（gōng）作情況（kuàng），主（zhǔ）軸在工作10000 小時後（hòu），主軸（zhóu）回轉精度有一些下降，由（yóu）於機床具有一定的精度儲備，故機床沒有超出允（yǔn）許的回轉誤差（chà）範圍（wéi）；工作 15000 小時後，回轉精度繼續下降，比出（chū）廠時的誤差加大了（le） 20%，少量用戶提出更換主軸軸承的要（yào）求；工作 20000 小時後，回轉精度有較（jiào）大下降，比出廠時的誤差加大了 35%，部分用戶委托廠方或自行更換主軸軸承（chéng）。究其原因，85%是由（yóu）於主軸軸承磨損（sǔn）所（suǒ）致，軸承磨損量與（yǔ）主軸工作小時數幾乎（hū）成線性關係。

4.主軸回轉精度壽命的可靠度模（mó）型

主軸回轉精度可靠度（dù） R（t）指主（zhǔ）軸回轉運動誤（wù）差落在（zài）最大（dà）允許範圍內的（de）概率（lǜ）。

圖 2 主軸軸承的回轉精度壽命可靠度

由於主軸回轉運動誤差（chà）隨著時間 t 的增大而增大，使主軸回轉運動誤差的中心發生漂移，散度增（zēng）大，可靠度下降。當主軸工作了時間 t 後，主軸軸承的精度失效（xiào）概（gài）率 F（t）=1-R（t）明顯比初始時間增大了，如圖 2 所（suǒ）示。且平均誤差與主（zhǔ）軸工作時間成線性關係[9]。當規定（dìng）主軸軸承精（jīng）度壽命可靠度的大小後，便可由式（1）反（fǎn）推出主軸軸承的精度壽命。

5.主（zhǔ）軸（zhóu）回轉精度可靠度（dù）計算

以 SL50 型數控車床為例，主軸（zhóu）的誤差（chà）運動的 3 種基本形式：即純徑向誤差運動、軸向誤差運動和（hé）擺角誤差運動。這些基（jī）本形式很少獨立存在，往往是同（tóng）時並存的。純（chún）徑向誤差運動和軸（zhóu）向誤差運動並存時的（de）誤差運動稱為徑向誤差運動，它是指主軸回轉中心線 O1-O1在某一指定位置垂直於其理想中心線 O-O 線方向上的誤差運動。主軸徑向（xiàng）跳動的測量（liàng）位置，如圖 3 所示 SL50 型數控（kòng）車床初始工作期間，主軸（zhóu） a 點徑向跳動均（jun1）值為（wéi） 0.006，均方差為0.0010；b 點：主軸徑（jìng）向跳動均值為 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（wéi） 0.0018；b 點（diǎn）：主軸徑向跳動均值為 0.014，均方差為0.0035。主軸工作 20000 小時（shí）後，a 點：主軸徑向跳動均值為0.008，均方差為 0.0021；b 點：主軸（zhóu）徑向跳動均值為 0.016，均方（fāng）差為 0.0043。a 點：主軸徑向跳動允差為（wéi） 0.010，b 點（diǎn）：主軸徑（jìng）向跳動允差為 0.020。

圖 3 主軸徑（jìng）向跳動的測量位置

軸向誤差運動和擺（bǎi）角誤差運動並存時的誤差運動稱（chēng）為端麵誤差運（yùn）動，它是指回轉主軸的端麵在規定（dìng）的徑（jìng）向位置上平行於理想回轉（zhuǎn）中心線的方向上誤差運動。SL50 型數控車床（chuáng）初始工作期（qī）間，主軸（zhóu）中心軸向竄動誤差均值為 0.006，均方差為 0.0010；d 點（距主軸（zhóu）回轉中心 125mm 處）：主軸卡盤端麵跳動誤（wù）差（chà）均值為0.011，均（jun1）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（huí）轉半徑為 125mm主軸（zhóu）工作 15000 小（xiǎo）時後，主軸中心 c 點：軸向（xiàng）竄動誤差均值為 0.007，均方（fāng）差為（wéi） 0.0016；d 點：主軸卡盤端麵（miàn）跳動誤差均值為0.014，均方（fāng）差為 0.0036。主軸工作 20000 小時後，主軸中心 c 點：軸向竄（cuàn）動誤差均值為 0.008，均方差為 0.0019；d 點：主軸卡盤端（duān）麵跳動誤差均值為 0.016，均方差（chà）為（wéi） 0.0042。

圖 4 主軸軸向竄動誤差和卡盤端麵跳動誤差的測量位置（zhì）

主軸軸向竄（cuàn）動誤差允差為 0.010，d 點：卡盤端麵跳動誤差允差為 0.020。主軸初始（shǐ）工作（zuò）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運用可靠度的計算方法[10-11]，主軸工作 15000 小時後各（gè）點的精度可靠度：

通過上述計算分析，主（zhǔ）軸工作 15000 小時後，各項誤差的均值和均（jun1）方差均加大，離（lí）散度增大，說明主（zhǔ）軸軸承有一定的磨損，導致精度可靠度下降，但仍保持在 95%以（yǐ）上，該機床已不適宜加工一些重要的精密的零件。主軸工作 20000 小時後，主軸軸（zhóu）承磨損進一步加劇，精度可靠度下降很多，該機床隻（zhī）能用於精度要求不高的加工，若想恢複精度，可考（kǎo）慮送回機床生（shēng）產廠進行大修，更換主軸軸承。

6.結論

主軸組件（jiàn）是數控（kòng）機床（chuáng）的重要組成部（bù）件之一（yī），它的精度壽命（mìng）可靠度是數控（kòng）機床的工作能力（lì）的一項重要指標。

（1）主軸軸承誤差是引起主軸（zhóu）回轉誤差運動的主要因素之一。

（2）通過（guò）控製這種高精密主軸軸（zhóu）承的預緊力，可有（yǒu）效（xiào）提升軸承的回轉精度，降低軸承溫升。

（3）當規定主軸軸承精度壽命可靠度的大小（xiǎo）後，可（kě）反推出主軸軸（zhóu）承的精度壽命。

（4）主軸（zhóu）工作 15000 小時後，各項誤差的均（jun1）值（zhí）和均方差均加大，離散度（dù）增大，精度可靠度仍保持在 95%以上。

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

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