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SL50 型（xíng）數控車床主軸回轉精度的可靠度研究

2017-4-1 來源：南通職業大學機械工程學院作者：張（zhāng）麗萍，李業農，周開俊

摘要：通過以 SL50 型數控車（chē）床的主軸組件為例，深入分析了產生主軸回轉誤差運動的原因（yīn），提出（chū）該數控車床（chuáng）主軸（zhóu）軸承的（de）預緊力界定範圍。對該（gāi）數控車床主軸軸承磨（mó）損情（qíng）況做了可靠性統（tǒng）計分析，建立了主軸（zhóu）回轉精度壽命的可靠度模型，主軸（zhóu）軸承（chéng）磨損量與其工作小時數幾乎成線性關係（xì）。在該數控車床工（gōng）作 15000 小時和 20000 小時後，分別檢測了主軸徑向跳動的誤差、主軸軸向竄動誤差和卡盤端麵跳（tiào）動誤差，對主軸回轉精度（dù）的下降情況做了統計分析，並進行了回轉精度（dù）可靠度計算。

關鍵詞：數控機床；主軸；軸（zhóu）承（chéng）；磨（mó）損；回轉精度；統計分析；可（kě）靠度

1.引言（yán）

要提高數控機床的加工精（jīng）度，除了要（yào）提高（gāo）機床的剛度、抗振性和熱穩定性外，首（shǒu）要的是提高主軸組件的幾何精度（dù）和（hé）回轉精度，在（zài）製造過程中可通過先裝配後精加工提（tí）高（gāo）主軸的回轉精度[1] 。從統計（jì）分析（xī）結果看，軸承的主要失（shī）效形式是接觸疲勞磨損、磨粒磨（mó）損、粘著磨損和微動磨損[2-3]，鑒於（yú）此，筆者以（yǐ） SL50 型數控車床的主軸組件為例，就（jiù）影響主軸組（zǔ）件的回轉精度的因素，尤其是主軸軸承磨損對主軸回轉精度壽命影響的程度做（zuò）了深入（rù）的探討（tǎo）。

2.產生主軸回轉誤差運動的主要原因分析

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

圖 1 SL50 型數控車床（chuáng）的主軸部件結（jié）構

一般數控（kòng）車床而言（yán），主軸的瞬時回轉軸線是經常變動（dòng）的（de）。根據相對運動的（de）原理，在任（rèn）何瞬時，一方麵主軸繞自己的瞬（shùn）時回轉軸線旋轉，另一方麵，該瞬時回轉軸線還相對理想回轉軸線作軸向的、徑向的（de）和傾角的運動[4-5]。SL50 型數控車床的（de）主軸部件也不（bú）可（kě）避免存在上述誤差運動。其主要（yào）原因有：

（1）主軸支承軸頸的圓度誤差，如橢圓、棱圓及（jí）較大（dà）的波紋，會造成主軸（zhóu）周期性徑向跳（tiào）動誤（wù）差運（yùn）動。主軸前後支撐的不同軸及它們徑向（xiàng）跳動的大小和方向的（de）不一致性，會造成主（zhǔ）軸的擺角誤差運動（dòng）。

（2）主軸軸承，特別是前軸承的缺陷，如軸（zhóu）承套滾道的圓度（dù）誤差和波紋，滾動體直徑的不一致性及圓（yuán）度誤差等，會造成主軸的徑向誤差（chà）運動。軸承的支撐端麵對主軸回（huí）轉中心線的（de）不垂直，軸承的滾道及滾動體的誤差，會造成主軸周期（qī）性的（de）和非周期性的軸向誤差運動（dòng）。滾動軸承的摩擦和磨損，使主軸部件的各部分產生不同的熱變形（xíng），會造成主軸的徑向誤差（chà）運動和軸向誤差運動。

SL50 型數控車床是精密級機床，除了主軸支承軸頸、主軸前後支撐（chēng）的不同軸等先天性誤差外，主（zhǔ）軸軸承的自身誤差和安裝（zhuāng）誤差也是引起主軸回轉誤差（chà）運動的主要因素之一。隻有經過嚴格的生產工藝過（guò）程控製（zhì），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（nèi）部存在遊隙，適當（dāng）預緊使各個滾動體都承受一定（dìng）的預負荷（hé），參加工作的滾動體（tǐ）數量增（zēng）加，直徑略大的滾動體變（biàn）形較大（dà），使直（zhí）徑較小的滾動體也承受載荷，從各個方向支承內圈，故可以提高軸承的回轉精度、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（chéng）座還處於（yú）常溫狀態，直接受摩擦熱作用的滾動體（tǐ）和內外圈的溫升最快，內部（bù）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（bèi）左右為宜（yí）。預緊力過大，會導（dǎo）致軸承發熱劇烈，加速軸承的磨損。

SL50 型（xíng）數控車床的主軸部件前支承為三個角接觸球軸承，前兩個軸承串聯，與第（dì）三個（gè）背靠背組配（pèi）。通過計算這種（zhǒng）組配其（qí）軸承預緊力應不小於額定軸向載荷的四分之一，其次，這種（zhǒng）高（gāo）精密主軸前軸承（chéng）允許溫升為 10℃，軸承生產廠商建議其應預緊力可控製在（1100～1300）N，這樣可有效提升軸（zhóu）承（chéng）的回轉（zhuǎn）精度。預緊力再增（zēng）大，軸承溫升會（huì）增大，反而會降低回轉精度。SL50 型數控車床（chuáng）的主軸軸承為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製造，具有很高的硬度（dù） HRC（60～65），很高的加工精（jīng）度和很低的表麵粗糙度。該主軸軸承的接觸（chù）疲勞強度是足夠的（de），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，故這種軸承的壽命主要為精度壽命。

這種角（jiǎo）接觸球軸承由於離心（xīn）力和陀（tuó）螺力矩的作用，滾動體鋼（gāng）球的自轉（zhuǎn）會（huì）產生微滑動。當轉速越高或接觸角（jiǎo）越（yuè）大，微滑動會越大。再者滾動體鋼（gāng）球與保持架是純滑動接觸，二表麵之（zhī）間（jiān）的相（xiàng）對滑動摩擦（cā），提高（gāo）了（le）軸（zhóu）承溫度，加大（dà）了軸承磨損。造成軸承磨損的因素是多方（fāng）麵的，多種因素作用下的軸承磨損更加難以預測的防止，軸承磨（mó）損使軸承的徑（jìng）向遊隙和軸向遊（yóu）隙增大，從而使主軸回（huí）轉精度降低。在跟綜了 SL50 型數控車床主軸（zhóu）的工作情況，主軸在工作10000 小時後，主軸回轉精度有一些下降，由（yóu）於機床（chuáng）具有一定的精度儲（chǔ）備，故機床沒有超（chāo）出允許的回轉誤差範圍；工作 15000 小時後，回轉精度繼續下降，比出廠時的誤差加大（dà）了 20%，少量用戶提出更換（huàn）主軸軸承的要求（qiú）；工作 20000 小時後，回轉精度有較大下降，比出廠時的（de）誤差加大了 35%，部分用戶委托廠方或自行（háng）更換主軸軸承。究（jiū）其原因，85%是由於主軸軸承磨損所致，軸承（chéng）磨（mó）損量（liàng）與主軸工作小時數（shù）幾乎成（chéng）線性關係。

4.主軸回轉精度壽命的可靠度模型

主（zhǔ）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）圍內的概率。

圖 2 主軸軸承的（de）回轉精度（dù）壽命可靠度

由於主軸回轉（zhuǎn）運動誤差隨著時間（jiān） t 的增大而增大，使主軸（zhóu）回轉運動誤差的中心發（fā）生漂移（yí），散度增大，可靠度下降。當主軸工作了時間 t 後，主軸軸承的精度（dù）失效概率（lǜ） F（t）=1-R（t）明顯比初始時間增大了，如（rú）圖 2 所示。且平均誤差與主軸工作時間成（chéng）線性關（guān）係[9]。當規定主軸軸承精度壽（shòu）命可靠（kào）度的大小後，便（biàn）可由式（1）反推出主軸軸承（chéng）的精度壽命。

5.主軸回轉精（jīng）度可靠度計算

以 SL50 型數控車床為例，主軸的誤差運動的（de） 3 種基本形式：即純（chún）徑向誤差運動、軸向誤差運（yùn）動和擺角誤差運（yùn）動。這些（xiē）基本（běn）形式（shì）很少（shǎo）獨（dú）立存在，往往是同時並存的。純徑向誤差運動（dòng）和軸向誤差運動（dòng）並存時的誤差運動稱為徑向誤（wù）差運動，它是指主軸回（huí）轉（zhuǎn）中心線（xiàn） 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。主軸徑向跳動的（de）測量（liàng）位置，如（rú）圖（tú） 3 所示 SL50 型數控車床初始工作期間，主軸 a 點（diǎn）徑向跳動均值為 0.006，均方差為0.0010；b 點：主軸徑向跳動均值為（wéi） 0.011，均方差為 0.0021。主軸工作 15 000 小時後（hòu），a 點：主軸（zhóu）徑向（xiàng）跳動均值為 0.007，均方差為 0.0018；b 點：主軸徑向跳動均值為（wéi） 0.014，均方差為0.0035。主軸工作 20000 小時後，a 點：主軸（zhóu）徑向跳動均（jun1）值為0.008，均方差為 0.0021；b 點：主軸（zhóu）徑向跳（tiào）動均值為 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（tiào）動允差為 0.020。

圖 3 主軸徑向跳動的（de）測（cè）量（liàng）位置

軸向（xiàng）誤差運動和擺角誤（wù）差（chà）運動並存時的（de）誤差運動稱為端麵誤差運動，它（tā）是指回轉主軸的端麵在規定的徑向位置上平行於理想回轉中心線（xiàn）的方向上誤差運動。SL50 型數控車床初始工作期間（jiān），主軸中心軸向竄動誤差均值為 0.006，均方差為（wéi） 0.0010；d 點（diǎn）（距主軸回轉中心 125mm 處）：主軸卡盤端麵跳動誤差均值（zhí）為0.011，均方差為 0.0020，如圖 4 所（suǒ）示。圖（tú）中：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（shí）後，主軸中心 c 點（diǎn）：軸向竄動誤差均值為 0.007，均方差為 0.0016；d 點：主軸（zhóu）卡盤端麵跳動誤差均值為0.014，均方（fāng）差為 0.0036。主軸工作 20000 小時後，主軸中心 c 點：軸向竄動誤差均值為（wéi） 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，均方差為 0.0042。

圖 4 主軸軸（zhóu）向竄動誤差（chà）和卡盤端麵跳動誤差的測（cè）量（liàng）位置

主軸軸向竄動誤差允差為 0.010，d 點：卡盤端麵跳動誤差允差為 0.020。主（zhǔ）軸初始工作期間，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（dù）的計算方法[10-11]，主（zhǔ）軸（zhóu）工作 15000 小時後各（gè）點的（de）精（jīng）度可靠（kào）度：

通過上述計算分析，主軸工作 15000 小時後，各（gè）項誤差的均值和均方差均加大，離散度（dù）增大，說明（míng）主軸軸承（chéng）有一（yī）定的磨（mó）損，導致精度可靠度下降，但仍（réng）保持在 95%以上，該機床已不（bú）適宜加工一些重要的精密的零件。主軸工作 20000 小時後（hòu），主軸軸承磨損進一（yī）步加劇，精度可靠度下降很多，該機床（chuáng）隻能用於精度要求不高的加工，若想恢複（fù）精度，可考慮送回機床生產廠進行大修，更換主軸軸承。

6.結論

主（zhǔ）軸組件是數控機床的重要組成（chéng）部件之一，它（tā）的精度壽命可靠度是數控機床的（de）工作能力的一（yī）項重要指標。

（1）主軸軸承誤（wù）差是引起主軸回轉誤差運動的主要因素（sù）之一。

（2）通（tōng）過控（kòng）製這種高精密主軸軸承的預緊力（lì），可有效提升軸承的回轉精度，降低軸承溫升。

（3）當規定（dìng）主軸軸承（chéng）精度壽命可靠度的大（dà）小後（hòu），可反推出主軸軸承的（de）精度壽命。

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

（5）主軸工作 20000 小時後，主軸軸承磨損導致精度可靠度下降到 82%，建議進行（háng）更換主軸軸承的機（jī）床大修。

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