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Y7520X1500螺紋磨床磨頭軸承改造方案

2024-10-14 來源：南（nán）京工藝（yì）裝備製造有限（xiàn）公司作者：彭朝勝

【摘要】擬對絲杠（gàng）車間精磨工段上海機床廠Y7520X1500螺紋磨床的主軸單元進（jìn）行改造，磨頭部分利用滾動軸承裝配方式代替原有的（de）滑動軸承（靜壓主軸），解決維修周期長、維修困難、維修費用高的缺點，同時能夠達到同（tóng）樣的磨削表麵質量。

一、設備原有砂輪磨（mó）頭單元（yuán）結構簡介

Y7520X1500螺紋磨（mó）床是上海機床廠早（zǎo）期產品，其砂輪（lún）磨頭（tóu）磨削單（dān）元配（pèi）置的是靜壓主軸，采用靜力潤滑的滑動軸承稱為靜（jìng）壓軸承。主（zhǔ）軸單元裝（zhuāng）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（lì）油來形成壓力油（yóu）膜，以（yǐ）承（chéng）受載荷。靜（jìng）壓（yā）軸承（chéng）的主要特點之一，是（shì）在完全靜止的（de）狀態下（xià），也能建立起承載油膜，從（cóng）而保（bǎo）證在啟動階段摩擦副兩表（biǎo）麵也沒有直接接觸。因此，啟動采用靜（jìng）壓軸承的轉子時，必須先啟動靜壓（yā）潤滑係統。利用壓力泵將壓力油泵入軸承和（hé）軸之間的微小間隙（xì）的滑動（dòng）軸承（見圖2），當油泵開動後，待壓力油進入軸承，各油（yóu）腔達到規定的（de）壓力（lì）時（0.8MPa左右），主（zhǔ）軸才開始工作。啟動和運（yùn）轉期（qī）間摩擦副均被壓力油膜（mó）隔開，滑動阻力僅來自流體粘（zhān）性，摩擦因（yīn）數（shù）小、工作壽命長。靜壓軸承有"均化"誤差的（de）作用，能減（jiǎn）小製（zhì）造（zào）中不確定性產生的影響，摩擦副（fù）表（biǎo）麵（miàn）上的壓力（lì）比較均勻，軸承的可靠性和壽命較（jiào）高，但缺點是：維修周期長、維修困難、維修費用（yòng）高。該設（shè）備也是因為年代已久，偶爾出現主（zhǔ）軸“抱（bào）死”現象，主軸也受過傷，磨削表麵質量很差，振紋嚴重。隨著公司的發展要求，靜壓主軸不能適應生產保障需要。

二、Y7520X1500螺紋磨床磨頭靜壓軸（zhóu）

承改滾動軸承簡介

目前市場上主流螺紋磨床如上海機床廠有限（xiàn）公司、三井精（jīng）機、MATRIX等螺紋磨床的砂輪磨頭磨削單元均采用滾動軸承結（jié）構形式。基於上述機床在實際使用過程中的表現來（lái）看，滾動軸（zhóu）承結構形式的主軸磨削的表麵質量（liàng）良好，同時主軸維護保障及（jí）時性也能得到極大的提升。基於上述情況，實際測繪Y7520X1500螺紋磨床磨頭的結構尺（chǐ）寸，選擇合（hé）適的滾動軸承（chéng）設計滾動磨頭。

采用滾動軸承結構製造出的滾動磨（mó）頭與靜壓（yā）磨頭相比，滾動磨頭具有下（xià）列優點（diǎn）：

(1)應用設計簡單，產品已標準化，並由專業生產廠家進行大批量生產，具有優良的互換性（xìng）和通用性。

(2)起動摩擦力矩低，功率（lǜ）損耗小，滾動軸承效率高（0.98~0.99）。

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

(4)大多數（shù）類型的軸承能同時承受徑（jìng）向和軸向載荷，軸向尺寸較小。

(5)易於潤滑、維護及保養（yǎng）。結（jié）合上麵優點，隨著這幾年滾動軸承精度的不斷提高（gāo），有（yǒu）必要對其軸承方式進行改造，以提高工廠生產效率和減小維修成本。

三、Y7520X1500螺紋磨床磨頭（tóu）靜（jìng）壓（yā）軸

承改滾動軸承改造方案

1．磨頭結構的選擇

滾動軸承結構形式的主（zhǔ）軸（磨頭）在機床上有（yǒu）較（jiào）為廣泛的應用，比如數控車、加工（gōng）中心等機床主（zhǔ）軸支承（chéng）根據主軸部（bù）件的轉速、承載能力及回轉精度等要求的不同而采（cǎi）用（yòng）不同（tóng）種類的軸（zhóu）承。在各種類型的軸（zhóu）承中，以滾動軸（zhóu）承的使用最為（wéi）普遍，而磨床（chuáng）主軸滾動軸承的（de）常見配置形式如下幾（jǐ）種：

第一種，如圖1所示，前支承采用雙列短圓（yuán）柱滾（gǔn）子軸承和60°角接觸球軸承組合，承受徑（jìng）向載荷和軸向載荷，後支承采（cǎi）用成對角接觸球軸承，這種（zhǒng）配置可提高主軸的綜合剛（gāng）度（dù），滿足強力切削（xuē）的要求，普遍應（yīng）用於各類數控機床，

隻（zhī）是在精度上麵弱一點。

圖1

第二種，如圖2所示，前軸承采（cǎi）用角接觸球軸承，由2～4個軸承組成一套，背靠背安裝（zhuāng），承受徑向載荷和軸向載荷，後支承采用（yòng）雙列短（duǎn）圓柱滾子軸承，這種配置適用於（yú）高速（sù）、重載的主（zhǔ）軸部件。

圖2

第三種，如圖3所示，前（qián）後支承均采用（yòng）成（chéng）對角接觸球軸（zhóu）承，以承受徑向載（zǎi）荷和軸向載荷，這種配置適用於（yú）高速、輕載和精密的數控機床主軸。

圖3

根據螺紋磨床磨頭高精（jīng）密、輕載、高速的（de）使用需求，我們選擇了第三種的（de）軸承配置方案。在第三種結構上（shàng）進行優化，考慮到螺紋磨床屬（shǔ）於成型磨削，在磨頭（tóu）軸串和徑跳要求都很高，基本上磨頭徑跳0.002mm以內，軸串為0.最終選擇結構為前4後2的結構形式。前麵4隻萬能配對的角接觸球軸承（見（jiàn）圖4），後麵2隻萬能配對（duì）的角接觸（chù）球軸承支（zhī）持形式（見圖（tú）5）。

圖4 圖5

2.磨頭結構（gòu）中配置形式中的預緊問題

螺紋磨磨頭要求運行順暢，同時還要保障良好（hǎo）的精（jīng）度，這就要求（qiú）在（zài）滾動軸承安裝過程中掌握好預緊的問題。使滾動體與套圈滾道（dào）處於適當的預壓緊狀態，稱為滾動軸承的預緊。軸承預緊的目的是為了提高運轉中的（de）轉動精度和支承剛度，減小振動和噪聲（shēng），並且減輕由於慣性轉矩等因素所引起的軸承滾動體（tǐ）相對於軸承內、外套滾道的相對滑動。角接觸軸承及對旋轉精度和剛度有較高要求的軸係通常都采用預緊方法。對主軸滾動軸（zhóu）承進行（háng）預緊和合理選擇預緊（jǐn）量，可以提高主軸部件的回轉精度、剛度和抗振性（xìng）。

在磨（mó）頭裝配後可以通過單手盤動主軸的（de）方式來判斷預緊力是（shì）否合適，在其（qí）他螺（luó）紋磨床的滾動磨（mó）頭經驗來看，通常是8~10轉參考預（yù）緊力。注意預緊力過大會使磨頭溫升異常，降低磨頭使用壽命，同時磨削（xuē）表麵質量也得不（bú）到保證。

3.軸承的選型

根據螺紋磨床磨頭的高精度和（hé）高速的（de）工況需求，考慮市場上的主軸軸承。主軸軸（zhóu）承是由實體內圈、外圈、球、以及實體窗式保（bǎo）持架組成的單列角接觸球軸承。主（zhǔ）軸軸承不可拆分，主軸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（zhóu）承布置。在（zài）接觸角方麵，考慮承載（zǎi）屬（shǔ）於輕型承載（zǎi），故主軸軸承的接觸角=15°(後綴C)。

在基於原有主軸尺寸情況下，主要（yào）考慮磨頭需要克服的磨削力，其他（tā）如冷卻油（yóu）阻力、螺旋（xuán）角造成的阻力等可以（yǐ）忽略。考慮該機（jī）床的加（jiā）工範圍，絲杠直（zhí）徑20~80mm,球徑15.875mm以內(砂輪使用16mm)。磨削砂輪線速度（工藝要求）不小於30m/s；絲杠材料為Gr15,淬火硬度60~62HCR，現將絲杠加工時的磨削力計算如（rú）下（參考外（wài）圓磨普通砂（shā）輪）：　

（1）磨削力的計（jì）算（suàn）

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

其（qí）中：

K=4（淬火工件）；

Uc=比磨削能（néng）60J/mm3；

a e=磨削深度：最（zuì）大0.08mm；

V w=進（jìn）給最大速度83mm/s（絲（sī）杠外圓線速度）；

b=砂輪最大接觸寬度（dù）16mm；

V s=磨削（xuē）線速度30m/s；

計算得到：Fn=849.9N

考慮到絲杠的雙R且偏心如圖6所示，需將近似圓弧轉換到直線截型計算，從圖中砂輪半圓下方15°，從而近似計算磨削力為:

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

圖6

（2）磨頭主軸軸承轉速計算

螺紋磨磨削使用的新砂輪外徑500mm,最小使用到350mm，滿足砂輪線（xiàn）速度恒（héng）定30m/s的要求，則以最小砂輪直徑350mm計算主軸轉速，轉（zhuǎn）速計（jì）算公（gōng）式：主軸轉速n=切削線速（sù）度V s /（3.14*砂輪直徑）*60=1637r/min

（3）軸（zhóu）承型號確定

考慮到原有主軸的（de）剛性滿足度，仍然保（bǎo）持原有主（zhǔ）軸的直徑60mm不變，在此基礎上設計磨頭（tóu）結構，綜合考慮軸（zhóu）承的裝配工藝性，確定前端2組（zǔ）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（mó）頭主軸的設計與製（zhì）造

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

圖8

②主（zhǔ）軸材料及（jí）工藝：基於考慮（lǜ）該（gāi）主軸有很高的心部強度、優（yōu）良的耐疲勞性能、畸變量小，同時表麵（miàn）有（yǒu）很高的硬度，避免裝配和使用過程中與軸承磨損，選擇38CrMoAlA材料。38CrMoAL是高級氮化鋼，是在普通碳素鋼基礎上，在一定溫度下一定介質中使氮原子滲入工件表層，使其獲得（dé）高（gāo）耐磨性、高疲勞強度、高強度、耐（nài）腐蝕、耐高（gāo）溫等特性。

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（滲氮淬火） → 精磨，其中錐度1∶5與錐規套配磨作色檢查、其接觸麵不得小於85%、且大（dà）端先接觸（chù）。

（3）磨頭主（zhǔ）軸及其軸承的安裝

利（lì）用原有的鑄件殼體進（jìn）行改造加工，製做前後軸承安裝法蘭、壓蓋等，完成安裝。主軸軸承壽命短或過早的喪失精度，在相當大的程（chéng）度上是（shì）由於沒有（yǒu）嚴格按照主軸軸承使（shǐ）用要求進行安（ān）裝。軸（zhóu）承安裝（zhuāng）注意事項：

①安裝前必須（xū）要清（qīng）洗軸承,清洗幹淨後（hòu）再塗上（shàng）幹淨優質或耐（nài）高速高溫的潤（rùn）滑脂。

②在主軸軸承安裝內圈時，一（yī）般都由軸肩在一麵固定軸承的位置，而（ér）另一麵則用螺母、止動墊圈或彈簧檔圈等（děng）固定，所（suǒ）以在預緊力（lì）方麵一定要控製，使用力矩扳手進行（háng）預緊。

③軸承的安裝最（zuì）好用冷裝法，即將主軸放（fàng）冰（bīng）箱冷凍後裝上軸承，避免了敲擊引起的軸承精度喪失（shī）。同時（shí）注意裝（zhuāng）配時主軸冷凝水的處理，避免主軸、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（shēng）產工藝要求，且（qiě）試轉後溫升不超過（guò）38 oC。

5．軸承承載力和轉速的校核

軸承（chéng）的承載力往往體現在軸承壽命方麵，在（zài）此結構基礎上驗證軸承壽命。

Lh=106/60*n*(f 1*C/P)ε

Lh=基本額定（dìng）壽命（h）

n=主軸工作轉速（sù）（1637r/min）

f 1=溫度係數，工作溫度小（xiǎo）於120℃，取1

C=基本額定動載荷，查表為62.1X2=124.2KN

P=當量動載荷，考慮砂輪主軸與主（zhǔ）軸軸承的力矩關係

（65/2+30+15+72）*Fn’=P*72可得（dé）P=2292N

ε=壽命指數，球軸承取3

綜（zōng）合上數據計算軸承L h=27131小時≈3年（nián），滿足使用要求。

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

四、改造效果

該設備經過改（gǎi）造後，使用和（hé）維護成本大幅降低，維修要求也降低（dī）不（bú）少，本單位維修鉗工就能完成（chéng）更換軸承，維修效率高（gāo）。由於該項改造滾動軸承的支撐力強，整個磨頭主軸剛性增強，可以進行大吃刀（dāo）磨削，且沒有出現磨削表麵振紋（wén）現象，經過檢測磨削（xuē）滾道表麵光潔度不低於Ra0.4。

五、小結（jié）

這幾年隨著滾動功能（néng）部件行業的發展，現在角接觸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（mì）加工了，以前的滑動軸（zhóu）承存在使用環境要求高、維修困難、維修成本高、精度喪失難（nán）恢複等缺點，應漸漸讓滾動軸承替代。以（yǐ）後我們計劃把單（dān）位裏麵的老舊的靜壓主軸逐步改（gǎi）造（zào）為滾動軸承形（xíng）式，不斷（duàn）提升企（qǐ）業自身（shēn）設備改造能力。

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