陶瓷轴承在数控机床主轴单元中的应用研究
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摘要:陶瓷轴承以其优良的性能,在高速主轴单元中的应用日趋广泛。通过理论分析与实验研究,对比分析了两种类型主轴单元的温升、振动特性,为陶瓷轴承的实际应用提供一定的依据。
摘要:陶瓷轴承以其优良的性能,在高速主轴单元中的应用日趋广泛。通过理论分析与实验研究,对比分析了两种类型主轴单元的温升、振动特性,为陶瓷轴承的实际应用提供一定的依据。
为了提高生产率和加工精度,机床主轴向高速化发展的趋势引人注目。陶瓷轴承具有耐高速、重量轻、寿命长等优良性能,在高速及特殊环境等条件下工作的机械中,正逐步得到应用。高速主轴单元是开发中、高档数控机床的关键性技术之一。近年来,国外生产的数控机床或加工中心,其主轴系统很多都采用了陶瓷轴承和电机主轴结构,即所谓电主轴。电主轴是机床高速主轴单元的一种较理想结构,国内在这方面的研究尚处于起步阶段。
高速主轴单元的核心是高速精密轴承,其性能好坏将直接影响主轴单元的工作性能。随着速度的提高,轴承的温度升高,振动和嗓声增大,寿命降低。因此,提高主轴转速的前提是研制开发出性能优越的高速主轴轴承。目前,在高速主轴单元中,主轴的支承主要采用进浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高,容易实现诊断和在线监控。但实践表明,这种轴承由于电磁测控系统过于复杂,至今未能得到广泛应用。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体动压轴承的优点,但这种轴承必须根据具体机床专门进行设计,单独生产,标准化程度低,维护保养也困难。
目前,应用最多的高速主轴轴承还是混合陶瓷球轴承,即滚动体使用热压或热等静压氮化硅陶瓷球,轴承套圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高,价格低,对机床结构改动小,便于维护保养,特别适合高速运行场合。它的K值已超过2.7×106。为了增加轴承的使用寿命,可增加滚道的耐磨性,对滚道进行涂层处理或其他表面处理。

1 陶瓷球轴承的理论分析

轴承在工作时,轴承滚动体与套圈间将产生接触应力,并在接触表面上形成接触应力椭圆。根据Herts接触理论、轴承滚动体与套圈间的接触椭圆的长、短半径为:
a=ma[3Q(1-µc2+1-µs2)]1/3
2SrEcEs
(1)
b=mb[3Q(1-µc2+1-µs2)]1/3
2SrEcEs
(2)
代入陶瓷材料的性能参数,可得:
qoc=1.112qom(3)
dc=0.896dm(4)
式中:ma、mb——与椭圆偏心率有关的系数
d——球与套圈的弹性趋近量
Q——作用在滚动体上的外加总负荷
qo——球与套圈的接触应力
E——材料的弹性模量
µ——材料的泊松比
c、s——下标,分别指陶瓷轴承和钢球轴承的相关参数
Sr——主曲率和
由式3、4可看出,低速时.陶瓷球轴承中陶瓷球与钢套圈的接触应力为钢轴承的1.112倍,变形为钢轴承的89.6%。在高速条件下,轴承不仅受到来自外力的作用,还受到轴承内部滚动体离心力的作用。离心力的作用,将使接触面积、接触应力和弹性变形增大。由于滚动体(球)的密度不同,在陶瓷球轴承和钢球轴承中的接触应力也会不同。在陶瓷球轴承中,用陶瓷球取代钢球,陶瓷材料的密度与热膨胀系数比轴承钢小,弹性模量大。高速运转条件下,来自轴承内部的负载(离心力、陀螺力矩等)比例轴承小,因此,陶瓷球轴承的极限转速可以得到提高,如Si3N4球轴承的极限转速比钢轴承提高了60%左右。
滚动轴承的破坏形式主要有疲劳破坏、磨损、塑性压痕、烧伤和润滑失效等形式。在正常工作条件下,钢轴承的破坏是疲劳破坏。用热等静压氮化硅陶瓷球替代钢球组成的陶瓷球轴承的破坏形式有两种:钢套圈和陶瓷球的破坏。这两种破坏形式均为疲劳破坏。只是陶瓷球疲劳剥落的尺寸比钢轴承的小。几乎没有磨损痕迹。已有试验和实际运用表明,陶瓷球轴承的破坏主要表现为钢套圈的疲劳剥落。即使氮化硅滚动体发生了局部剥落,也不会急剧扩展,其微裂纹只是在轴承继续运转中缓慢扩大。
陶瓷球轴承寿命估计式为:
Lc=1[E(1+Ư)]3(1+F)-10/3z1/9(1+g)1/9Loc-10/9
21/9EocQ
(5)

表1 试验用陶瓷球轴承结构参数
型号外观尺寸
mm
球径
mm
球数原始
接触角
陶瓷球
材料
保持架
材料
套圈
材料
B7007CY35×62×147.1441615°HIPSN树脂GCr15

图1 高速主轴单元结构简图
表2 电主轴的主要性能参数
型号极限转速
(r/min)
主轴直径
mm
输出功率
kW
润滑方式
A型30000354.5油雾
B型24000354.5
式中:F——离心力
Q——滚动体与套圈间的接触负荷
Eo——材料弹性模量
从式(5)可以发现,影响陶瓷球轴承寿命的因素主要有:①滚动体的离心力。高速运行时,离心力构成轴承外圈载荷的主要部分,转速越高,外圈接触应力越大。氮化硅密度是轴承钢的40%,相同转速下,可以有效阻止轴承寿命降低;②材料本身的弹性模量。氮化硅弹性模量大,泊松比小,使接触应力变大,对低速运转的轴承寿命是不利的;③主曲率和。适当减小陶瓷球与套圈接触处的主曲率和,可以提高陶瓷球轴承的寿命。

2 试验研究

  1. 试脸条件 本次试验所用陶瓷球轴承参数如表1所示。所用陶瓷球的材料为HIPSN(热等静压氮化硅),精度等级是G3级,装配时球与套圈按规值精细选配。该轴承采用“小珠密珠”结构,并使用外圈薄形保持架。试验中所用钢轴承与陶瓷球轴承具有相同的结构参数。
    试验所用的电主轴有两种型号,分别为A型和B型。结构简图见图1所示,轴承安装形式为DBB。表2是两种电主轴的主要性能参数。
    本试验采用热电偶测温法测量主轴前端轴承外圈的温升,又利用PDD测量高速电主轴前、后端的振动频谱,分析两种轴承对电主轴运转精度的影响。
  2. 试验测试结果分析
    1. 主轴轴承的高速性能根据两种高速电主轴的实验数据绘制的温升特性曲线,由图2、3可见,A型主轴转速由2000r/min上升至极限30000r/min时,钢轴承温度由4℃上升至35℃;主轴转速由2000r/min上升至转速40000r/min时,陶瓷球轴承温度由35℃上升至43℃,为防止温度过高损坏陶瓷球轴承,停止继续升高转速的试验。实验中显示,在相同温升水平上,即温升为35℃时装有陶瓷球轴承的电主轴转速比钢轴承型主轴提高约30%。
      在B型电主轴中,应用陶瓷球轴承,电主轴的实际转速比使用钢轴承时的极限转速相应提高约30%~50%。
      从上述试验结果和理论分析可知,陶瓷球轴承比钢轴承更适用于高速运转条件。
    2. 主轴轴承的温升由图2可见,A型主轴转速小于15000r/min时,两种轴承的温升基本相同。当转速大于15000r/min时,陶瓷球轴承的温升明显低于钢轴承。钢轴承温升增长率比陶瓷球轴承的快。
      由图3可以看出,B型主轴的轴承温升的总体变化趋势与A型电主轴相似。但主轴转速较低时,陶瓷球轴承的温升略高于钢轴承,温升增长率比钢轴承小。当转速n>17000r/min时,才能显示出陶瓷球轴承的低温升特性。脂润滑条件下陶瓷球轴承的运转速度和油雾润滑时钢轴承的运行速度相当。实验中发现,B型陶瓷球轴承达到热平衡时的温升和所需时间,与A型钢球轴承达到热平衡时的温升和所需时间相近。

      图2 A型电主轴的温升特性

      图3 B型电主轴的温升特性

      图4 电主轴不同供油条件下的温升特性
      图4所示是B型不同供油量条件下的主轴轴承的温升曲线,从中可见,陶瓷球轴承最低时所需求的供油量低于钢轴承,并且当突然中断供油时,陶瓷球轴承能维持一段时间的正常工作,而钢轴承在较短时间内就会烧坏。
      由上述可知,不论用油雾润滑还是脂润滑,在高速或润滑不足时,陶瓷球轴承的温升都小于钢轴承,陶瓷球轴承的寿命高于钢轴承。分析认为:①由于HIPSN陶瓷球产生的离心力和陀螺力矩小,使陶瓷球轴承发热量少。②轴承在装配时需要预紧,预紧力越大,变形和发热越多,轴承温升也越快。轴承高速运转下,轴承承受的总负荷包括初期预紧力和轴承内部负荷。内部负荷由离心力和热膨胀差引起的。轴承工作时的预紧力大于装配时的原始预紧力,从而使摩擦发热增加,轴承温升增大。由于HIPSN陶瓷材料的热膨胀系数仅为轴承钢的25%,故当转速提高时,陶瓷球轴承的温升值比钢轴承小得多。资料表明,陶瓷球轴承的内圈材料采用热膨胀系数比轴承钢小20%的不锈钢、渗碳钢等材料,可以有效降低轴承的温升。
    3. 主轴振动频谱分析 使用高灵敏度的压电晶体传感器,运用离散傅立叶原理进行信号交换计算,图5、6是利用PDB测得的A型电主轴振动频谱。由图5可见,电主轴前端振动加速度波动较大,导致电主轴的运转精度降低、刚度下降。由图6可见,装有陶瓷球轴承的电主轴前端振动加速度变化极小,主轴运转的动态精度高。对比两种类型电主轴表明,使用陶瓷球轴承,可以有效减少电主轴的振动,提高电主轴的运转精度和刚度。

      图5 装有钢轴承电主轴前端振动频

      图6 装有陶瓷球轴承电主轴前端振动频

3 结束语

以上理论与实验分析表明:
  1. 在相同条件下,陶瓷球轴承比钢轴承更适用于高速运转条件。将陶瓷球轴承应用于高速主轴单元的设计、制造中,可以有效提升主轴的极限转速,减少高速主轴的振动,提高主轴的运转精度和刚度。
  2. 应用陶瓷球轴承可以延长电主轴的使用寿命,简化与之配套的润滑系统。但要解决低速运转条件下,陶瓷球轴承刚度差、精度低的问题。
本文作者:东北大学 张坷 吴玉厚 富大伟 孙红
原载:《机械制造》2002年第4期
上载于:2009-1-7 9:22:51

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