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機械主軸軸承振動監測與故障診斷研究

常用的數控車床機械主軸單元通常按照其機床的加工性能,對主軸的結構有不同的要求,通常會按照機床的剛度指標分成三大類。

一、高速輕載型

  該主軸的配置是以車削有色金屬為主或輕切的機床上,軸承結構為前三后二的角接觸軸承組合結構,由于具有很強的高速性,配合CBN或其它硬質合金刀具,可以獲得較高的工件粗糙度及真圓度。這個類型的主軸在華南地區的機床制造領域是非常普遍的,幾乎配置了98%以上的數控車床。HEAVY CUT公司批量制造的該款主軸其內部結構如圖1所示。

  為了滿足主軸的高速性,在這款主軸的軸承結構中,其預緊載荷大部分采取輕預緊或特輕預緊的方式對軸承進行配對。值得提出的是,國產軸承的配對預緊標準相對進口品牌產品而言,其預緊量高出進口產品的幾倍、十倍、甚至幾十倍,這與一個行業執行標準有關,也是我國高速軸承在主軸行業的應用表現不及進口產品的主要原因。當然,從角度來講,國產軸承的配對后相對軸向剛度優于進口軸承,但在高速特性應用方面卻損失了市場。

  通常在軸承的接觸角度選擇上,可以適當的通過加大接觸角而增加主軸承的軸向剛度系數。目前常用的接觸角度為15°、25°及進口產品的18°角。接觸角度值越大,其軸向剛度值越大。相反,接觸角越大,其高速性指標越低,其額定載荷指標也越低。

  標準型的角接觸球軸承,在實際運用中,按軸承的內徑計算已經達到了20~25m/s的工作線數度。HEAVY CUT公司技術部門做過一項實驗,在預載力同等的條件下,國產軸承也能夠勝任這項工作指標。同一規格的產品,鋼球直徑越小,其速度指標也越高。


二、中高速重載型

  重載系列的車床主軸單元,在我國及世界車床的發展史上也是剛興起不久的一種結構,主要從追求主軸的速度上作出的改進,將原來的平面軸承改成了一套角接觸軸承,從而提高了車床的轉速。其前后都采用了圓錐孔雙列短圓柱滾子軸承,中間配置一對角接觸球軸承。結構參見圖2。日本馬扎克通常都采用了這種結構,值得提出的是,角接觸軸承的角度在25度以上,以滿足徑向和軸向剛度的平衡。但是,圓錐孔雙列短圓柱滾子軸承的游隙調整比較困難,它直接影響主軸的回轉精度,在游隙控制在2~3微米時,主軸可以獲得1微米以內的回轉精度。目前為止我國還沒有專門用于檢測調整游隙用的專用包絡量具,這不能不說是中國軸承行業的恥辱。除此之外,與軸承錐度的接觸面要求也非常高,對軸的中空比有限制等工藝上特殊要求,也阻礙著這款主軸結構的發展。由于該款軸承特別適合于重切削高精度機床,所以日本及歐美也對中國的銷售加以限制,目前市面上能夠采購到的gao級別也只有FAG的SP級產品,進口機床一般都是配置的P4級產品。而國產品由于沒有較好的檢測手段,精度等級與進口品相比仍有很大的差距。

  其實,數控車床在軸承配置方面的結構還是這一種,它的高速性能在精度保證的前提下可以達到15~20m/s的線速度,對于車削獲得較高的粗糙度是完全滿足的,在重切削性能方面相對高速輕載型結構是無可比擬的。

  如果是作為車銑復合中心機床的主軸,在低速插補銑削方面,這種結構顯得尤為重要,角接觸軸承在這個方面的優勢及圓柱滾子軸承。

  事實上,數控車床主軸結構一直都在沿用這種軸承配置方法,國內目前還沒有達到這個普及水平,其真正的原因還是受軸承產品的精度和測量工藝的量具以及加工裝配工藝的限制。相信在不久的將來,我們會突破各種困難,將這種結構主軸的優勢得以充分的發揮。HEAVY CUT公司在主軸入市的初期階段,主推的產品結構就屬于這一種,但由于軸承方面的穩定性尚未突破,目前并未投入大量的生產。在車銑復合機床方面,我們還是希望廣大用戶采用這種結構,不過,要想實現主軸的高速性能,軸承還必需依賴進口。


三、中低速重載型

  在現在的數控車床中,由于特殊工況的原因,需要主軸在軸向和徑向方面都具有極高的剛度指標,同時也需要具備高速特征,以滿足實際加工工藝的需要。這些主要體現在立式數控車床、臥式數控旋壓車床等方面。早期的數控車床基本都是采用這種結構,前后的徑向支撐為圓錐孔雙列短圓柱滾子軸承,中間的軸向支撐采用雙向角接觸推力球軸承。如圖3所示。

  隨著刀具行業的迅猛發展,這款結構的主軸在高速特性方面不再具有任何優勢,也就逐漸退出了主導市場。但我們不得不承認,這種重載型結構在特種需求場合仍然有自己的優勢。

四、三種不同主軸結構的數據比較

  為了滿足不同機床特性的需求,HEAVYCUT公司對相同規格不同載荷結構的主軸作了系列化設計,只需要更換少數不同的軸承與零件,就能夠組裝出自己需求的主軸,以滿足客戶不同工況機型的需要。我們以常見的A2-4車床機械主軸單元為例,對其機械性能數據進行比對,具體參見表1。

  從表1中我們不難發現,徑向載荷與軸向剛度的綜合值越高,主軸的轉速性能就越低。同時提出的是,綜合值越高,軸承的成本也就越高。

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