精密轴承在高速精密主轴设计中的应用

　　柯美志?王哲
　　摘 要：随着高速精密加工技术的迅速普及与推广，高速度精密主轴的设计也得到了飞速发展，高速精密加工技术中最为核心的便是主轴单元，高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴等，与电主轴相比，精密轴承具有结构简单，易维护，发热小，不污染环境，成本低等特点，因此在高速精密主轴设计中的实际应用中，具有较为明显的优势。本文重点就精密轴承在高速精密主轴设计中的应用进行分析和探讨。
　　关键词：精密轴承；高速精密主轴；设计应用
　　随着科技技术的进步，数控机床正朝着高速、高精密、智能化、轻量化方向发展，主轴系统是数控机床发展的关键。建立主轴单元精确模型，对主轴性能进行精确仿真，从而在设计阶段优化结构尺寸，实现最大的动刚度和最小的材料和动力消耗。以往主轴设计是根据设计条件，确定初始结构尺寸，利用有限元建模、求解，最后对分析结果进行评定，若不合格，则对尺寸加以修改，然后再建模、求解、评定，如此反复直到合格为止。这个过程耗时费力，设计方案也不是最佳。鉴于此，作者将优化技术直接融入主轴设计分析过程，快速分析计算设计变量对主轴性能的影响，寻找最优结构参数，实现理论设计代替经验设计，完成精确计算。
　　1.精密主轴系统机械结构设计
　　主轴系统的机构类型有很多种，按照所用轴承种类划分，常见的结构有半运动式圆柱型轴承结构轴系、锥形滑动轴承轴系、V型弧滑动轴承轴系和滚动摩擦轴承轴系等。这些不同的结构类型有不同的特点，适用于不同的应用场合。对于高精度精密主轴系统来说，考虑到轴系的回转精度、刚度、主轴的热稳定性和使用寿命等因素，同时参考过去在精密主轴系统方面的设计经验，通常都是采用技术成熟、应用较广的非标密珠滚动轴承的设计方案。根据仪器主轴系统安装空间和安装方式的要求，充分考虑精密仪器主轴机械设计过程中的各种注意事项，初步设计轴系装配图。
　　2.高速主轴单元支承结构设计
　　轴承限位方式及其限位元件直接影响到主轴单元总体精度指标，同时轴向限位元件也是保证轴承预紧力的重要元件之一。在现代数控机床主轴单元设计中，轴承轴向限位元件常用的有精密锁紧螺母和阶梯过盈套。采用精密螺母方式安装相对简单，但对主轴螺纹部分加工精度要求高，因螺纹联结本身是一种动不平衡因素，这将影响主轴动平衡性能。因此这种结构形式一般多用于8000r/min以下的机械式主轴。对于更高转速的主轴，其动平衡精度要求极高。为保证动平衡精度，轴承轴向限位元件通常选用阶梯过盈套。这样不需在主轴上加工螺纹，容易保证过盈套的定位端面与轴心线垂直，主轴动平衡性好。但采用这种方式安装拆卸都需要根据主轴形式设计相应的专用工艺装备，其安装拆卸复杂，要求高。如图1所示，该主轴设计中，前、后轴承轴向限位元件都采用了阶梯过盈套的形式，这样有利于提高主轴动平衡性能。阶梯过盈套内径轴向分为二段，内径分别为D1和D2（二者相差较小），与之相配合的轴外径也相应分为d1和d2二段，这二段过盈都为过盈配合，但过盈量略有不同。安装时须用热装方式完成安装，拆卸时，在过盈套注轴孔处接一高压油泵将阶梯过盈套涨开即可将阶梯过盈套取下来。
　　3.精密主轴系统电机的选型
　　参考国内外主流设计选型方案，选用了由DDR直驱力矩电机与主轴连接一体的直接驱动方式，这种结构省去了传动机构，主轴电机通过主轴直接作用到轴系，具有可靠性高、易维护、定位精度和可重复精度高、刚性好和机械噪声低等诸多优点，也是现在高精度主轴轴系普遍采用的一种方式。根据主轴与负载的转动惯量Jm（Jm=Mr2/2。式中，M为主轴与负载质量，r为负载半径）、主轴最大转速n和最大角加速度a，可以计算出主轴系统所需的最大扭矩Tm=Jm·a。在电机选型的计算过程中，以往还需校验负载与电机轴的惯量比，但是因为DDR直驱电机技术使得电机通过主轴直接连接到负载，电机和负载的惯量成为了一个公共惯量比，惯量比能够达到大于11000∶1，这可以满足绝大多数的应用需求，因此只需根据最大扭矩Tm和所需的电机安装形式尺寸选择合适的主轴电机型号即可。对于精密主轴系统的分度元件，目前普遍采用的是高精度光栅角度编码器，也是目前设计高精度主轴系统的最佳选择。考虑机械安装条件和设计所需达到的精度要求，选用了国际著名厂商生产的孔式圆光栅角度编码器，光栅精度为±1″，一周光栅刻线36000线，光栅信号在经过25倍频处理后，再经过4倍频的光栅信号辨向倍频处理，最终的光栅分辨率能达到0.36″，完全能够满足精密主轴系统的设计要求。
　　4.主轴轴承的预紧技术分析
　　合理的预紧可以提高主轴系统精度、刚度、寿命和轴承的阻尼并降低噪声。预紧带来的负面影响是增大磨损，温升增高。轴承预紧包括预紧力大小和预紧方式（定位式或定压式）的确定。确定预紧力大小的原则是在高速性和刚度及温升的矛盾中求得平衡。最佳预紧力可通过计算确定，其计算标准可以根据轴向载荷来确定或者根据转速与温升来确定，但目前采用较多的方法是根据主轴技术指标选择标准预紧等级。精密主轴轴承预紧方式一般有定位式预紧和定压式预紧两种。定位预紧是通过预选定的内外圈隔垫使组配轴承内圈之间和外圈之间处于某一固定位置，从而使轴承获得合适的预紧。其优点是容易实现，但高速性不如定压式预紧。在现代数控机床中，定压预紧是一种常见的预紧方式，其工作原理是利用螺旋弹簧、碟形弹簧或可调液压力等预紧装置使轴承得到合适的预紧。其特点是预紧力的大小是由预紧装置本身决定的，其值基本不变，高速性好。但在使用定压式预紧时，确定弹簧力的大小、结构设计、装配都较复杂。对成组弹簧的制造要求高，在装配前一般应使用专门的弹簧测力装置对成组弹簧刚度与长度的一致性进行检查；在设计中确定弹性力的大小时应充分考虑负荷大小、主轴质量、轴承本身预紧力大小等各种因素。
　　综上所述，高速机床主轴轴承一般有角接触轴承、圆柱滚子轴承和双向角接触轴承等几种形式。对于高速轻载型高速主轴，前后支承一般选用角接触轴承。
　　参考文献：
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