超高速轴承H7014C/HQ1P4性能试验研究

2016-07-25杨立芳王东峰何强

轴承 2016年2期

杨立芳，王东峰，何强

(1.洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南洛阳471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南洛阳 471039；4.安阳工学院机床关键功能部件重点实验室，河南安阳 455000)

轴承作为高档数控机床的关键功能部件之一，决定了数控机床的高速性能[1]。角接触陶瓷球轴承、液体动静压轴承和磁悬浮轴承均可满足高速加工要求，但由于液体静压轴承需根据具体机床专门设计，标准化程度低；磁悬浮轴承电气控制部分复杂，制造成本高，所以其推广应用受到了很大限制[2-5]。陶瓷球材料由于密度小、热膨胀系数小、弹性模量大等优点，减少了球的离心力和陀螺力矩，有效提高角接触陶瓷球轴承的高速及刚度等性能，因此得以广泛应用。

超高速轴承一般指dmn值大于1×106mm·r·min-1的轴承,其性能指标主要包括振动、热性能、极值转速、耐久性、精度寿命等。在已有研究的基础上[6-7]，下文对角接触陶瓷球轴承在喷射润滑下进行了高速性能试验，通过检测轴承在不同转速、轴向预紧力、油压下的轴承温升及主机振动，分析了三者对轴承温升及主机振动的影响规律。

1 试验

1.1 试验设备及试样

试验设备为T30-70Nf主轴轴承寿命试验机，试验轴系采用简支梁结构，如图1所示，一次同时安装2套轴承，轴向预紧力施加于前支承，并通过试验轴传递至后支承。试验机最高转速为33 000 r/min，径向载荷为0，轴向最大预紧力1 200 N。

图1 试验轴系结构

试样为2套H7014C/HQ1P4型轴承，套圈材料为GCr15轴承钢，陶瓷球材料为Si3N4，保持架材料为酚醛层压布管。润滑方式为32#润滑油喷射润滑，每套轴承1个喷嘴，喷油量为1.6 L/min，供油压力为参考值，0.2～0.6 MPa手动可调，润滑油入口温度为常温。测温、测振点均在被测轴承外圈上。

1.2 试验方法

首先对轴承进行磨合试验，参数见表1。

表1 磨合试验参数

当轴承各项监测指标均无异常(振动或主机电流突变等)，才可进行性能试验，否则应停机查找原因。

磨合试验完成后，根据已有的试验数据，进行若干次辅助试验。初步确定了性能试验参数，见表2。

表2 性能试验参数

2 结果与分析

2.1 转速对轴承温升及主机振动的影响

在预紧力800 N、供油压力0.5 MPa、初始温度30.1～36.4 ℃下，转速对轴承温升及主机振动的影响分别如图2、图3所示。

图2 不同转速对轴承温升的影响(60 min后)

图3 不同转速对主机振动的影响(60 min后)

由图可以看出，随着转速的升高，轴承温升增大，即轴承内部摩擦增大，发热增加；振动值也随之增加，转速在21 000 r/min内，主机振动变化不大，但高速时振动值明显增加；转速达24 000 r/min时，5 min后轴承温升达到34.2 ℃，主机振动为1.07g(g为重力加速度)，且主轴电流过大。继续进行若干次更高速的试验，轴承温升大幅增加，因此认为试验轴承高速性达不到24 000 r/min。

2.2 轴向预紧力对轴承温升及主机振动的影响

在初始油压0.4 MPa、初始温度50 ℃下轴向预紧力对轴承温升及主机振动的影响分别如图4、图5所示。

图4 预紧力对轴承温升的影响

图5 预紧力对主机振动的影响

由图4可以看出，轴承转速(n=15 000 r/min)较低时，预紧力对轴承的温升影响不大；转速较高时，预紧力对轴承的温升影响增大，且高速时预紧力不能过小。这是由于预紧力存在一个最佳值，预紧力过小会增加轴承的发热。

由图5可以看出，转速较低时，预紧力对振动值影响不大；转速较高时，预紧力对振动值影响较大，且高速时，预紧力不能过小。在振动值变化的平缓区，主机最大振动值对应一个预紧力，达到最大振动值后，随预紧力的增大，振动值变化趋于平缓。

2.3 油压对轴承温升及主机振动的影响

在初始温度47～50 ℃、预紧力600 N下，油压对轴承温升和主机振动值的影响分别如图6、图7所示。

图6 润滑油压对轴承温升的影响

图7 润滑油压对主机振动的影响

由图6可以看出，当油压小于0.4 MPa时，轴承温升随油压的增加而降低；当油压大于0.4 MPa时，轴承温升降低幅度减小，尤其在高转速下，温升反而有缓慢增加的趋势。低转速下，随着油压增大，温升减小较快。这主要是因为油压增加，即润滑油量增大可以带走更多的热量。当油压达到一定值后，热量达到平衡状态，轴承温升变化不明显。

由图7可以看出，低转速时，油压的变化对主机振动值影响不大；高转速时，主机振动值随着油压的增大而降低，但油压增加到一定值(0.4 MPa)后，振动值开始缓慢增加。这是由于油压较低时，润滑不充分，高速时导致轴承运转不稳定，从而造成主机振动增大；但油压过大会给高速运转下轴承的润滑性能带来不稳定因素，也会增加主机振动。