主轴温升原因分析.pdf

篮 2 0 0 4 第8 期 1 主轴轴承类型 高速加工技术的发展 推动 了 机床主轴高速化的发展 而且机床 的载荷一股由径向载荷与轴向载荷 组成 并作为联合载荷作用于支承 上 因此在机床制造业 角接触球 轴承作为主轴轴承应用得越来越 多 2 主轴轴承外形参数对主轴 轴承温升的影响 1 主轴轴承截面主轴轴承在 满足刚度及旋转精度时 主轴轴承 的截面越小 节省占用空间越大 特 别是在轴承壳体孔不变的情况下 可以加大主轴的外径 使主轴的刚 度增大 轴承温升降低 2 主轴轴承的精度主轴轴承 的精度公差等级为 P 5 P 2 主轴轴 承的极限转速随其精度公差等级的 提高而增大 外形尺寸相同的角接 触球轴承的精度公差等级每提高一 级极限转速也提高 1 0 所以当运 M C 瑗代霹部件 锦斌 郭小文 何成云 许显存 霍红梅 转转速一定时其温升随精度公差等 级的提高而降低 3 预紧主轴轴承的预紧不仅 能增加轴承的安装精度 而且也能 增加轴承的刚度 使轴承的游隙减 小 适当的减少轴承游隙可降低轴 承温升 但预紧过大可使轴承配合 的过盈增大造成轴承的工作温度升 高 4 接触角接触角的大小极大 地影响着角接触球轴承的运转陛能 随着接触角的增大 轴承的转速降 低 而轴承的轴向刚度增大 轴承 温升降低 n g l 形尺寸相同的角接 触球轴承1 5 接触角要比2 5 接触 角极限转速高1 0 1 5 因此 在 满足转速要求下选择大接触角轴承 可降低轴承温升 主轴轴承组配方式是精密轴承 的一项主要应用 一股来说轴承的 组合使用很难达到单个轴承的极限 转速 也就是说轴承的组合使用致 使其转速降低约2 0 但可提高轴 承的轴向刚度 因此在相同工作载 荷和转速下的工作温度更低 选用 陶瓷混合主轴轴承其温升还可降低 综上所述 以上因素是相互矛盾的 所以在实践应用中需要兼顾各方面 的因素 在一定的结构空间内通过 原因分析 维普资讯 选择适当的轴承截面尺寸 精度公 差等级 预紧 接触角及组配方式 可使支承性能达到最佳化 以便取 得较低的温升 保证较高的机床精 度 3 小结 因此 机床设计师在设计主轴 系统时 一定要综合考虑主轴轴承 的选型组配 兼顾折衷各因素 以 便实现最佳支承 取得比较理想的 温升效果 进一步提高机床精度 轴承润滑方式 轴承润滑 是为 了防止滚动体 套圈及保持架之间的直接接触架之 间的直接接触 并防止它们磨损及 生锈 在滚动体和滚道之间形成适 当的润滑剂油膜仅需要少量的润滑 剂 少量的润滑剂流体动力摩擦很 小 并能降低运转温 度 主轴轴承 配置采用脂润滑方式 因为润滑脂 的填充量容易控制 被普遍应用 对 于转速要求非常高的情况 应采用 油润滑 因为同等条件下油润滑寿 命要长 1 脂润滑对主轴轴承温升的 影响 润滑脂易保存于轴承内 还能 起防尘 防潮作用 采用适量 优 质润滑脂润滑轴承时能适应相对较 高的转速 温升也不致于过高 脂 润滑轴承适用的转速范围很广 润 滑周期能够满 足机 床使用的需求 且使用简便 经济 轴承无需特别 的维护 更无需后续的补充 大多 数情况下均为终身润滑 所以应用 较广泛 1 润滑脂的填充量对主轴轴承 温升的影响 轴承高速旋转时最好能够保持 低温升和较长润滑周期 此时就要 减少润滑脂填充量 一股的情况下 填充量不应超过轴承空间的 3 0 合理的填充量用下式计算 Q q B d B 1 0 式中 Q 润滑脂填充量 c m q 轴承尺寸系数 见表 1 d 轴承平均直径 0 5 d D mm B 轴承宽度 mm 如果是圆锥滚子轴承用装配高 T代替B 如果是推力轴承 用高H 代替 B 2 脂润滑轴 承的润滑脂分布 表 1轴承尺寸系数 轴 承 内径 d 系数 q 40 1 5 40 l 0 0 l l 0 O 3 O 1 5 l 3 0 l 6 O 2 l 6 0 2 00 3 2 0 0 4 跑合运转对主轴轴承温升的影响 脂润滑轴承在运行前必需进行 润滑脂分布跑合运转 其 目的在于 使润滑脂均匀分布在滚动区域 排 出过剩的能增大摩擦的润滑脂 避 免轴 承在运转 中过热 润滑脂分布 跑合运转有以下方式 低速运转跑 合 短时转速提高步进式跑合 低速运转跑合的工作温度变化 先增后降 最后达到稳定温度 机 床经过一定时间的运转后 其温度 上升幅度不超过每小时5 时 一股 可以认为已达到稳定温度 若低速 运转跑合时进行无冷却阶段的高转 速运转 导致温度剧增 使轴承疲 劳 甚至轴承失效 如图 1 所示 短时转速提高步进式跑合 为 避免开始时过高发热首先选择较长 的 步进式缩短的冷却阶段 在最大 I C 瑗 代 零部 件 动 MC 图1低速运转跑合示意图 转速时以逐渐较长的间隔时间反复 进行跑合 每级转速运转时间不得小 于2 m i n 最高转速应运转足够的时 间 不得小于 1 h 且温度达到6 0 时 及时冷却 使轴承达到稳定温度 其 温升也可有效控制 如图2 所示 3 润滑脂品质对主轴轴承温 图2 短时转速提高步进式跑合示意图 升的影响 使用以合成油为基油的润滑脂 较以矿物油为基油的锂基润滑脂使 用寿命更长 摩擦损耗更低 轴承 运行温升更低 2 油润滑对主轴轴承温升的 影响 润滑油的油量和品质为降低主 轴轴承摩擦损耗 降低温升起主要 作用 主轴轴承润滑一般采用带冷 却油的循环供油或滴注供油 1 润滑油油量 Q 对主轴轴承 图 3 油量 摩擦损耗 WF和轴 承温度 7 间的关系 温升的影响如图 3 所示 如果润 滑油不足 A区 滚动体与滚道就 2 0 o 4 年 第 8 维普资讯 曲 一t 1 无法完全隔绝 它们之间就会存住 金属接触 将导致摩擦加剧和温度 升高 最终导致轴承损坏 如果提 供更大油量 B区 形成粘着的承 载油膜 摩擦及最终温度为最小值 时满足滴注供油条件 供油上存在 时 间间隔 油量精确测定 供油量 进一步增加 C区 会导致摩擦和温 度不断升高 直到供油量使热量生 成和摩擦损耗达到平衡 之后 D 区 温度随油量无 明显变化 与冷 却油的循环供油条件吻合 如果油 量再增加 冷却起主要作用 温度 开始下降 E区 2 润滑油品质对主轴轴承温 升 的影响采用无添加剂高质量的 润滑油对轴承的运转有不可估量的 控制过热作用 其摩擦损耗更低 轴 承运行温升更低 2 小结 因此 机床设计师往设计主轴 系统时 一定要综合考虑润滑方式 及润滑品质 兼顾折衷各因素 以 便实现最佳支承 取得比较理想的 温升效果 主轴轴承与相关件的配 合及安装方式 1 主轴轴承与相关件的配合 轴承的可靠配合 使轴承内圈 或外围牢固地与轴或孔固定 以免 在相互配合面上出现不利的轴向滑 动 这种不利的轴 向滑动 称做蠕 变 会 引起轴承异常发热 为使 角 接触球轴承的全部优点得以最佳利 用 轴承的配装零件必须加工到与 轴承同一精 度水平 除轴和座孔的 正确配合外 还必须保证轴和座孔 的形状 公差及粗糙 度 尺 因为轴和 座孔的垂直度 不同轴度误差及粗 篮 2 0 0 4 年第8 期 表 2 主轴轴径与轴承内径配合公差值 主轴轴 承内径 d m m 转速 l r mi n 公差值 u为过盈 s 为间隙 mm 2 0 00 UO 0 0 05 5 0 8 O 2 0 0 0 6 0 0 0 U0 00 3 s O 0 02 6 00 0 1 0 0 00 U0 00 3 s O 0 02 2 0 0 0 U0 00 5 s O O 01 8 0 1 2 O 2 0 0 0 6 0 00 U0 00 3 s O 0 02 6 0 0 0 1 0 0 00 U0 00 3 s O 0 03 2 0 00 U0 00 5 s O 0 02 1 2 O 1 5 O 2 0 0 0 6 0 00 U0 00 3 s O 0 03 6 00 0 1 0 0 00 U0 00 3 s O 0 03 表 3 箱体子 L 与轴承外径配合公差值 丰轴轴承外径 d mm 转速 r mi n 公差值 u为过盈 s 为间隙 mm 2 0 00 U0 0O1 s O 0 05 8 O 1 2 O 2 0 0 0 6 0 00 s O 0 0 4 0 01 0 6 0 0 0 1 0 0 00 s O 0 0 4 0 01 1 2 00 0 U0 0 02 s O 01 1 1 2 O 1 5 O 2 0 0 0 6 0 00 s O 0 04 s O 0l l 6 0 0 0 1 0 0 00 s O 0 06 s O 0l 2 2 0 00 U0 002 s O 01 2 1 5 0 1 8 0 2 0 0 0 6 0 00 s O 0 05 s O 01 2 6 0 0 0 l 0 0 00 s O 0 06 s O 0l 3 2 00 0 U0 0 02 s O 01 2 1 8 O 25 0 2 0 0 0 6 0 00 s O 0 05 s O 01 3 6 0 0 0 1 0 0 00 s O 0 06 s O 01 4 糙 度 尺 误差会导致过 高的工作温 度 且精 度和工作速度越高 这种 现象越明显 在极限转速范围内的主轴 为 了更加降低温升 主轴轴承的配合 过盈 配合间隙均应配磨控制 如 表2 表3 所示为正确装配所需的配 磨公差表 这些值来自多年实践经 验的总结 2 正确的安装方式对主轴轴 承温升的影响 采用合适的安装工具 合理化 安装方式 认真的工作态度 安装 现场的整洁是轴承获得高速高精度 低温升运转的重要前提条件 这对 主轴轴承的安装技术提 出了更多更 高的要求 保证轴承安装环境及相 关件的无污染 工作过程中不得使 M C 瑗代墨部件 用压缩空气 因为污染物对轴承的 高速高精度低温升运转有不良影响 安装过盈配合轴承 当d 8