落地镗铣床主轴轴承温升原因分析与解决方案

2023-12-04李刚利

现代制造技术与装备 2023年10期

关键词：滑枕过盈量游隙

李刚利

（共享装备股份有限公司，银川 750021）

主轴轴承温升是主轴系统的重要技术指标。落地镗铣床主要采用滑枕移动式结构，其主轴传动系统一般安装在主轴箱内后端。主轴箱使用整体框架式结构，滑枕位于箱体内部。滑枕内装的铣轴带动镗轴旋转，镗轴在铣轴内移动。

1 主轴轴承温升的主要影响因素

主轴部件的温升包含切削热、主轴轴承与传动齿轮等部件的摩擦温升等，其中主轴轴承的摩擦是温升的主要原因。温度剧烈变化会严重影响轴承间隙，进而影响机床精度。温度分布不均，会造成零部件之间相互位置关系的变化，影响被加工工件的尺寸[1]。

1.1 轴承外围零件的加工精度

轴承内外圈为薄壁零件，极易因轴和轴承座的形位误差产生变形，导致轴承精度下降，运转温升超标。以某220 mm×300 mm×38 mm 的P6 级轴承为例，其外圈圆柱度为0.008 mm。若轴承安装孔的圆柱度为0.020 mm，轴承安装后外圈的圆柱度将接近安装的圆柱度（P6 级轴承的外圈圆柱度为0.025 mm），轴承滚道变形，运转工况恶化，温升加剧。因此，轴承位尺寸、圆柱度、前后轴承位同心度、挡边与轴线的垂直度等加工精度十分关键[2]。

1.2 轴承工作游隙的影响

轴承运转时，内部游隙（又称工作游隙）的大小对轴承的疲劳寿命、温升等性能有较大影响。为了提高精密机床主轴的径向（轴向）定位精度、旋转精度及刚性，通常在组装轴承时施加一定的预紧量（负游隙）。但是随着预紧量的增大，疲劳寿命显著下降，轴承的温升较高，当工作游隙为微负值时，轴承的疲劳寿命最长。因此，适配轴承的游隙时，会将工作游隙调整为零或略有预紧[3]。

1.3 轴承的润滑

轴承温升和润滑油供油量的关系如图1 所示。在温度曲线的中部轴承温度最高，在供油量较小或足够大时，轴承温升较小。供油量过大时回油困难，而油气润滑可以使轴承在温升相对小的区域工作，从而有效降低轴承温升[4]。

图1 供油量与轴承温度关系曲线

1.4 散热条件

散热条件也是影响轴承温升的重要因素，增大散热面积或强制循环冷却可以有效改善温升。在滑枕结构一定的情况下，强制循环冷却是最适合的方法[5]。

2 主轴温升的解决方案

通过分析可以看出，在保证加工精度的情况下，采用合理调整轴承工作游隙、增设主轴套强制冷却和采用油气润滑的方法可以控制主轴温升。

2.1 轴承安装游隙的选择计算

轴承运转时，随着轴承温度的升高，工作游隙逐渐减小，即预紧量增大，疲劳寿命显著缩短。因此，轴承组装时的安装游隙应取正值，可控制在0 ～0.005 mm。轴承的工作游隙随配合、运转中温度的条件而发生变化。以滚子轴承径向游隙的变化为例，轴承的工作游隙比理论游隙（安装游隙）小，如图2所示。

图2 滚子轴承径向游隙

游隙关系式为

式中：ΔO为理论游隙，即装配调整时的安装游隙；Δ为工作游隙，即轴承运转时的内部游隙，一般取-0.005 ～-0.010 mm，过盈量为0.005 ～0.010 mm；ΔDe为外圈与孔配合产生的游隙减少量，一般为有效过盈量的70%～90%；ΔDi为内圈与轴的配合产生的游隙减少量；Δt为内外圈温差产生的游隙减少量。

外圈与孔配合产生的游隙减少量，计算式为

式中：ΔD为外圈与孔的有效过盈量；D为壳体孔内径；D0为轴承外径；De为外圈滚道直径。

由轴承旋转而产生的摩擦热，通过轴及外壳散去，外壳比轴的散热条件好，因此外圈温度较低，内圈及滚动体温度比外圈高5 ～10 ℃，高速旋转或外圈加冷却套后温差会更高（增加冷却套后实际测试内外圈温差为16 ℃）。径向游隙因内外圈的热膨胀差而减少，减少量的计算公式为

式中：α为轴承钢的线胀系数，取12.5×10-6℃-1；ΔT为内外圈温差。

按照游隙控制理论进行计算，TK6916 落地铣镗床主轴轴承的工作游隙为-0.01 mm 时，径向安装游隙需控制在0.03 mm，实际安装调整为0.02 mm。同时，与径向安装游隙为0.007 mm、转速为700 r·min-1的主轴进行空运转对比试验，分析结果可知，轴承温升降低4 ℃。

2.2 落地镗主轴套强制冷却结构设计

2.2.1 冷却套材料的选择

冷却套多选择与滑枕相同的铸铁材料。由于滑枕、铣轴等系统配合尺寸的限制，160 型号以上的落地镗冷却套一般长度大于1 000 mm，壁厚多为30 ～40 mm，加工后油道位可能在20 mm 左右，是典型长筒薄壁零件。目前，主流高刚性落地镗滑枕采用QT600-3 以上的材料，但是此材质的冷却套加工后良品率低，缩松或砂眼严重，装机后易出现渗漏，影响使用。采用HT300 离心铸造的冷却套，可以显著解决铸造缺陷问题。

2.2.2 冷却套与滑枕配合尺寸的选择

滑枕与冷却套多分开加工装配，两者一般选择间隙配合，滑枕安装孔的精度等级一般选择H7，圆柱度不大于0.008 mm，粗糙度小于1.6 μm。冷却套外径公差为-0.005 ～-0.010 mm，圆柱度为0.004 mm，粗糙度小于0.4 μm。

部分重型落地镗铣床会选择采用冷却套先冷装到滑枕上，再精加工轴承位的方法。由于冷却套为薄壁零件，过盈量大，精加工后应力释放会引起孔的变形；过盈量小，加工时冷却套与滑枕之间易产生相对移动。考虑轴承与滑枕孔的最大过盈量为0.022 mm，为避免拆装轴承引起套与滑枕的相对移动，套与滑枕孔的过盈量定为0.04 ～0.07 mm。实际大修拆解检验发现，此配合未出现滑枕孔精度不稳定现象。

2.2.3 冷却回路的密封

循环冷却回路为单独回路，需要与轴承润滑回路隔离，润滑进油及回油回路靠端面和螺纹密封胶进行密封。冷却套循环回路的密封多为在主轴套轴承位两端安装O 形圈结构，如图3 所示。冷装主轴套无法使用O 形圈，这是因为O 形圈遇低温冷却套后变硬无弹性，安装会造成O 形圈剪切破碎。对此，可以预先加工出密封台阶，主轴套冷装后使用加长工具在台阶位安装O 形圈，用半环压实，实现轴向和径向密封。