Y7520X1500螺紋磨床磨頭軸承改造方案-數控機床市場網

Y7520X1500螺紋（wén）磨床磨頭軸承改造方案（àn）

2024-10-14 來源：南京工藝裝備製造有限公司作者：彭朝勝訪問量（liàng）：

【摘要】擬對絲杠車間精磨工段上海機床廠Y7520X1500螺紋磨床的主軸單（dān）元進行（háng）改造，磨頭部分利用滾動軸承裝配方式代替原有的滑動軸承（靜壓主軸），解決（jué）維修周期長、維（wéi）修困難（nán）、維修費用（yòng）高的缺點，同時能夠達（dá）到同樣的磨削（xuē）表麵質量。

一、設備原有砂輪磨頭單元結構簡介

Y7520X1500螺（luó）紋磨床是上（shàng）海機（jī）床廠（chǎng）早期產品，其砂輪磨頭磨削單元（yuán）配置的（de）是靜壓主軸，采用（yòng）靜力（lì）潤滑的滑動軸承稱為靜壓軸承。主（zhǔ）軸（zhóu）單元裝的靜壓軸承（見圖1），主軸直徑（jìng）60mm。由外部的潤滑油泵提供壓力（lì）油（yóu）來形成壓力（lì）油膜（mó），以承受載荷。靜壓軸承的主要（yào）特點之一，是在完全靜止的狀態下，也能建立起承（chéng）載油膜，從而保證在啟動（dòng）階段摩擦副兩表麵也沒有（yǒu）直接接觸。因此，啟動采用靜（jìng）壓軸承的轉子（zǐ）時，必須先（xiān）啟動靜壓潤滑係統。利用壓力泵將壓力（lì）油泵入軸承和軸之間的微小間隙的滑動軸承（見圖2），當（dāng）油泵（bèng）開動後，待壓力油（yóu）進入軸承，各油腔達到規定的壓力時（0.8MPa左右），主軸才開始工作。啟動和運轉期間摩擦副均被壓力油膜隔開，滑動阻力僅來自流體粘性，摩擦因數小、工作壽（shòu）命長。靜壓軸承有（yǒu）"均化"誤差的作用（yòng），能減小製造中不確定性（xìng）產生的影響（xiǎng），摩擦副表麵上的壓力比較均（jun1）勻，軸承的可靠性和壽命（mìng）較高，但缺點是（shì）：維修（xiū）周期（qī）長、維修困難、維修費用（yòng）高。該（gāi）設備也（yě）是因為年代已久，偶爾出現主（zhǔ）軸“抱死”現象，主軸也受過（guò）傷，磨削表麵質量（liàng）很差，振紋（wén）嚴重。隨（suí）著公司的發展要求，靜壓主軸不能適應生產保障需要。

二（èr）、Y7520X1500螺紋磨床磨頭靜壓軸

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、三井精機、MATRIX等螺紋磨床（chuáng）的砂輪磨頭磨削單元均采用滾動軸（zhóu）承結構（gòu）形式。基於上述機床在實際（jì）使用過程中的表現來看，滾動軸承結構形（xíng）式（shì）的主軸磨削的表麵質量良好，同時主軸維護（hù）保障及時性也能得到極大的（de）提升。基於上述情況，實際測繪（huì）Y7520X1500螺紋磨（mó）床磨頭的結構尺寸，選擇合適的滾動軸承設計滾動磨（mó）頭。

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

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

(2)起動摩擦力矩低，功率損耗小，滾動軸承效率高（0.98~0.99）。

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

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

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

三、Y7520X1500螺紋磨床磨頭靜壓軸

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軸（磨頭）在機床上有較為廣泛的應用，比（bǐ）如數控車、加工中心等機床主（zhǔ）軸支（zhī）承（chéng）根據主軸部件的轉（zhuǎn）速、承載能力及回（huí）轉精度等要求的（de）不同而采用不同（tóng）種類的軸承。在各種類型的軸承（chéng）中，以滾動軸承的使用最為普遍（biàn），而磨床主軸滾動軸承（chéng）的常見配置形式如下幾種：

第一種，如圖1所示，前支（zhī）承（chéng）采用雙列短圓柱滾子軸承和60°角接觸球軸承組合，承受徑向載荷（hé）和軸向載荷，後支承采用成對角接觸（chù）球軸承，這種配置可提高主軸的綜合剛度，滿足（zú）強力切削的要求，普（pǔ）遍應用於各類數控機床，

隻（zhī）是在精度上麵弱一點。

圖（tú）1

第（dì）二種，如圖2所（suǒ）示，前軸承采用角接觸球軸承（chéng），由2～4個軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，後支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用於高速、重載的主軸部件。

圖2

第三種，如圖3所示，前後支承均采用成對角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，這種配置適用於高速、輕載和精密的（de）數控機（jī）床主軸。

圖3

根據螺紋磨床磨頭高精密、輕載、高速的使用需求，我們選擇了第三種的軸承配（pèi）置方案。在第三種結構上（shàng）進行優化，考慮到螺紋磨床屬於成型磨削，在磨頭（tóu）軸串和（hé）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（de）角接觸球軸承（chéng）（見圖4），後麵2隻萬能配對的角接觸球軸承支持形式（見圖5）。

圖4 圖5

2.磨頭結構中配置形式中的預緊問題

螺紋磨磨頭要求運行順（shùn）暢，同時還要保障（zhàng）良好（hǎo）的精度（dù），這就要（yào）求在滾動軸承安裝過（guò）程中（zhōng）掌握好預緊的問題。使滾動體與（yǔ）套圈滾道處於適當的預壓緊狀態，稱為滾動（dòng）軸承的（de）預緊。軸承預緊的目的是為了提高運（yùn）轉中的轉動精度和支承剛度，減小振動和噪聲，並且減輕由於慣性轉矩等因（yīn）素所引起的軸承滾動體相對於軸承內、外套滾（gǔn）道的相對滑動。角接觸軸承及對旋轉精度和剛度有（yǒu）較高要求的軸係通常都（dōu）采用預緊方法（fǎ）。對主軸滾（gǔn）動軸承進行預緊和合理選擇預緊量，可以提高（gāo）主軸部件的回轉精度、剛度和抗（kàng）振性。

在磨頭裝配後可以通過單（dān）手盤動主軸的方（fāng）式來判斷預緊力是否合適，在（zài）其他螺紋磨床（chuáng）的滾（gǔn）動磨頭（tóu）經驗（yàn）來看，通常是8~10轉參考預緊力。注意預（yù）緊力過大會（huì）使磨頭溫升異常，降低磨頭（tóu）使用壽命，同時磨削表麵質量也得不到保證。

3.軸承的選型

根據螺（luó）紋磨床磨頭的高精（jīng）度和高速的（de）工況需求，考慮市場上（shàng）的主軸軸承。主軸軸承是由實體內圈、外（wài）圈、球、以及（jí）實體窗式保持（chí）架組成的單列角接觸球軸承。主軸（zhóu）軸（zhóu）承不可拆（chāi）分，主軸軸承的公差範（fàn）圍非常小，非常適合於高導向精度（dù）和高速工況下的軸承布置。在接觸（chù）角方麵，考慮承載（zǎi）屬於輕型承（chéng）載，故主軸軸承的接觸角=15°(後（hòu）綴C)。

在基於原有主軸尺寸情況（kuàng）下，主要考慮磨頭需要克服（fú）的磨削力，其他如冷卻（què）油阻力、螺旋角造成的阻力（lì）等可以忽略（luè）。考慮該機床的加工範圍，絲杠直徑20~80mm,球徑15.875mm以內(砂輪使用16mm)。磨削（xuē）砂輪線速度（dù）（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下（參考外圓磨普（pǔ）通砂輪）：　

（1）磨削力的計算

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

其中：

K=4（淬火工件）；

Uc=比磨削能60J/mm3；

a e=磨削（xuē）深度：最大0.08mm；

V w=進給（gěi）最大（dà）速度83mm/s（絲杠（gàng）外圓線速度（dù））；

b=砂輪最大接觸寬度16mm；

V s=磨削線速度30m/s；

計算得到（dào）：Fn=849.9N

考（kǎo）慮到絲杠的雙R且偏心如圖6所示，需將近似（sì）圓弧轉換到直線截型計算（suàn），從（cóng）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（chéng）轉速計算

螺紋磨磨削使用的新砂輪外徑500mm,最小（xiǎo）使用到350mm，滿足砂輪線速度恒定30m/s的要求（qiú），則（zé）以（yǐ）最小砂輪直徑350mm計算主軸轉速，轉（zhuǎn）速計算公式：主軸轉（zhuǎn）速n=切削線速度V s /（3.14*砂（shā）輪（lún）直徑）*60=1637r/min

（3）軸承型號確定

考慮到原（yuán）有主軸的剛性滿（mǎn）足度，仍（réng）然保持原有主軸的直徑60mm不變，在此基礎上設計（jì）磨頭結構，綜合考慮軸承的裝配工藝性，確定前（qián）端2組B7012-C-T-P4S-UL（4隻）後端1組B7010-C-T-P4S-UL（2隻）。

4．磨頭設計與製（zhì）造

（1）測（cè）繪原有磨頭殼體尺（chǐ）寸，整體考慮布局設計磨頭，裝配圖如圖7所示。

圖7

（2）磨頭主軸的設計與製（zhì）造

①磨頭主軸設計：磨頭主軸（圖7）是本次改造項目的最（zuì）關鍵零件，特（tè）別（bié）是主軸的材料（liào）選擇和工藝，對項目的成（chéng）功起到決定性作用。

圖（tú）8

②主軸（zhóu）材料及工藝：基（jī）於（yú）考慮該主軸有很高的（de）心部強度、優良（liáng）的耐疲勞性能、畸變量小（xiǎo），同（tóng）時表麵有很高的硬度，避（bì）免裝配和（hé）使用過程中與軸承磨損，選擇38CrMoAlA材料。38CrMoAL是高級氮化鋼，是在（zài）普通碳素鋼基（jī）礎上，在一（yī）定溫度下一定介質（zhì）中使氮原子滲入工件表層，使其獲得高耐磨性、高疲勞強（qiáng）度、高強度（dù）、耐（nài）腐蝕、耐高溫等特性。

工藝路線：鍛造 → 正（zhèng）火 → 粗車 → 調質處理（lǐ） → 精加工（銑（xǐ）床、鉗等） → 高頻淬火（滲氮淬（cuì）火） → 精磨，其中錐度1∶5與錐規套配磨作色檢查、其接觸（chù）麵不得小於85%、且大端先接觸。

（3）磨頭主軸及其（qí）軸（zhóu）承的安裝

利用原有的鑄件殼體進行改造加（jiā）工（gōng），製做前後軸承安裝法蘭、壓（yā）蓋（gài）等，完成安裝。主軸軸承壽命短或過早的喪失精度，在相當大的程度上是由於沒有嚴格按照主軸軸承使用要求進行安裝。軸承安裝注意事項：

①安裝前必須要清洗（xǐ）軸（zhóu）承,清洗幹淨後再塗上幹淨優質或耐高速高溫的潤滑脂。

②在主軸軸承安裝內圈時，一般都由軸肩在一麵固定軸承的位置，而另一麵則用螺母、止動墊圈（quān）或彈簧檔圈等固定，所以在預緊力方麵一定要控製，使用力矩扳手進（jìn）行預緊。

③軸承的安（ān）裝（zhuāng）最好用冷裝法，即（jí）將主軸放冰箱冷凍後裝上軸承，避免了敲擊（jī）引起的軸承精度喪失（shī）。同時注意裝配時主軸冷凝水的處理，避免主（zhǔ）軸、軸（zhóu）承生鏽。

④裝配後，主軸的徑跳0.002mm以內，軸（zhóu）向竄動：0.000mm，間隙0.001mm，完全（quán）滿足（zú）生產工藝要求，且試轉（zhuǎn）後溫升不超過（guò）38 oC。

5．軸承承載力和轉速的校核

軸（zhóu）承的承載力往往體現在（zài）軸承壽命方麵，在此結構（gòu）基礎上驗證（zhèng）軸承壽（shòu）命。

Lh=106/60*n*(f 1*C/P)ε

Lh=基本額定壽命（h）

n=主（zhǔ）軸（zhóu）工作轉速（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（chá）表（biǎo）為62.1X2=124.2KN

P=當量動載荷（hé），考慮砂輪主軸與主軸軸承的力矩關係

（65/2+30+15+72）*Fn’=P*72可得P=2292N

ε=壽命指數，球軸承取3

綜合上數據（jù）計算軸承L h=27131小時≈3年，滿足使用要（yào）求。

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

四、改造效果

該設備經過改造（zào）後，使（shǐ）用和維護成本大幅降低，維修要求也降低不（bú）少（shǎo），本單位維（wéi）修鉗工就能完成更換軸承，維修效率高。由於該項改造滾動軸承的支撐力強，整個磨（mó）頭主軸剛性（xìng）增強，可（kě）以進行大吃刀磨削，且沒（méi）有出現磨削表麵振紋現象，經過檢測磨削滾道表麵光潔度不低於Ra0.4。

五（wǔ）、小（xiǎo）結

這幾年隨著滾動功能（néng）部（bù）件行業的發展，現在角接（jiē）觸球軸承（chéng）的製造精度也越來越高，無論它（tā）的工作精度和自身的剛性都能滿足（zú）精密和超精密（mì）加工了，以前的（de）滑動軸承存（cún）在使（shǐ）用環境要求高、維修困難（nán）、維修成本（běn）高（gāo）、精度喪失（shī）難恢複等缺（quē）點（diǎn），應漸漸讓滾動軸承替代。以後我們計劃把單（dān）位裏麵的老舊的靜壓主軸逐（zhú）步改（gǎi）造為滾（gǔn）動軸承形式，不斷提升企業自身設備改造能力。

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