国内外机床主轴用脂润滑角接触球轴承应用性能对比试验

摘要：轴承作为机床主轴的核心部件，对机床加工精度和效率具有重要的影响，但目前高端机床主轴的角接触球轴承仍依赖进口，缺少国内外轴承性能对比数据及应用案例，影响了国产化轴承的推广。结合用户需求与相关标准规范，对国内外脂润滑角接触球轴承7014在机床主轴上的应用进行了对比，针对用户最关注的装配性、精度、静刚度、温升、抗振性、可靠性指标设计了试验方案，进行了轴承性能检测及轴承装机后的主轴台架和机床切削试验，对比分析发现国内轴承在综合性能上已达到或接近国外轴承。关键词：滚动轴承;角接触球轴承;机床;主轴;精度;刚度为满足加工性能、效率和可靠性的需求,高性能机床对主轴的精度、热稳定性、刚度、抗振性及可靠性(包括装配性与维修性)提出了较高要求[1-2]。轴承作为主轴的支承件,其性能对主轴性能的影响很大[3]。国内轴承的精度和可靠性与国外轴承相比存在一定差距[4-5],机床主轴轴承长期依赖进口,而国内轴承则多用于维修或低价值领域[6]。国产金属切削机床的低速主轴已大量使用国内滚子轴承,而国产加工中心主轴则多用国外角接触球轴承。由于国外轴承价格及交付周期存在劣势,限制了其快速响应市场及客户差异化的需求,为替代国外轴承,国内对轴承的设计制造和装配应用进行了相关研究[7-16]。文献[10]指出其研制的机床主轴轴承(陶瓷球混合轴承7008C和7014C)公差等级已达P2级。文献[11-16]分析了轴承安装配合对整机性能的影响,但缺乏国内外轴承装机性能对比数据和国内轴承应用案例,从而限制了国内轴承在机床主轴上的推广应用。本文以需求量较大而国产化程度较低的脂润滑角接触球轴承(GCr15套圈、陶瓷球)为研究对象，设计了主轴轴承应用性能对比试验：通过套圈圆度和波纹度检测评估装配性，通过装机后进行主轴台架试验评估精度、静刚度、温升，通过机床切削试验评估抗振性，通过主轴台架运转测试和发货跟踪评估可靠性。1试验1.1试验轴承及主轴以带密封圈的脂润滑角接触球轴承7014为研究对象,选择4个品牌轴承进行对比试验,A,B为国外轴承,有加工中心主轴应用案例,C,D为国内轴承,各品牌轴承参数见表1。表1试验轴承参数Tab.1Parameteroftestbearings对比试验时选择加工中心850/866机型配备的机械主轴,刀柄接口为BT40,主轴常用转速小于10000r/min,主轴装有4套轴承,背靠背配置,前后轴承采用隔套定位预紧。试验主轴结构如图1所示。1—下端盖;2—主轴机座;3—外圈隔套;4—内圈隔套;5—轴承;6—芯轴。图1试验主轴结构示意图Fig.1Structurediagramoftestspindle1.2主轴轴承应用性能对比试验1.2.1轴承装配性轴承装配时先将内圈加热,胀大后套上芯轴,因此内圈圆度和波纹度误差对装机影响不大;待冷却后再将安装好的主轴单元装入机座(机体和轴承座一体结构),并锁端盖压住轴承外圈,为能顺利装入机座,要求轴承外圈和机座内孔留有一定的间隙(外圈负公差,机座内孔正公差)。机座内孔的圆度误差导致内孔的贴合包容边界比设计尺寸要小,而轴承外圈的贴合包容边界比设计尺寸稍大,使实际间隙比理想值小,从而影响装配精度。波纹度也具有同样的影响。由圆度和波纹度误差评定定义可知,在不考虑相位影响的前提下,轴承外圈与机座内孔双边最小间隙G为G=dh-εh-Dr-εr,(1)式中:dh为机座内孔尺寸误差;εh为机座内孔圆度和波纹度总误差;Dr为外圈外径尺寸误差;εr为外圈圆度和波纹度总误差。使用千分表测量轴承套圈外径尺寸,使用摇表测量机座内孔尺寸;使用泰勒圆度仪依据GB/T32324—2015《滚动轴承圆度和波纹度误差测量及评定方法》检测圆度和波纹度误差。完成轴承套圈和机座内孔检测后,使用(1)式评估装配间隙是否过小,以免影响主轴装配;再将单一轴承放入机座验证对装配的影响,要求外圈与机座内孔无卡滞时才能装上芯轴。1.2.2装机后主轴精度主轴精度是影响机床加工精度的重要因素之一,本文通过台架测试主轴精度(主轴锥孔静态精度和主轴非同步运动误差),以评估不同轴承的影响。JB/T10801.2—2007《电主轴第2部分:加工中心用电主轴技术条件》规定了锥孔精度的测试方法,在空载和手转的条件下,靠近主轴端部位置处的测试棒径向跳动要求不超过3μm,为保障主轴精度需采用高精度的轴承[1]。目前主轴常用P4级精密轴承(部分轴承公差精度达到P2,对轴承7014,要求径向跳动不大于2μm)。组配轴承可确保主轴比单套轴承有更高的精度[1],目前轴承一般能满足主轴锥孔的精度要求,其不足以评估不同品牌轴承的性能差距,因此还需测试主轴动态精度。主轴动态精度测试有2个评价体系:1)轴心轨迹评价体系,主要评价参数为重复性跳动和非重复性跳动,非重复跳动与轴承套圈安装偏斜、套圈和球制造误差、保持架高速离心力均有关[17-18];2)运动误差评价体系,主要评价参数为同步运动误差和非同步运动误差,非同步运动误差反应了主轴动态误差的非周期性[19]。本文采用文献[1]的标准球法,在轴端装测试棒,使用单个电容式位移传感器检测测试棒的径向跳动,参考GB/T17421.7—2016《机床检验通则第7部分:回转轴线的几何精度》评估单点非同步回转误差。因文献[9]提及了轴承滚道制造误差阶次影响旋转精度,本文除非同步误差外,也展示了全跳动信号进行傅里叶阶次分析的结果,以从整数倍频分量中评估轴承制造精度对旋转精度的影响,并从保持架频率分量(频率约为转频一半)评估不同轴承保持架对旋转精度的影响。1.2.3主轴静刚度主轴静刚度指在静态载荷作用下主轴抵抗变形的能力,与轴承刚度、前后轴承跨距有关,主轴静刚度一般要求大于100N/μm

[2]。静刚度通常以主轴前端产生单位位移(以挠度来度量)时,用加载工装在位移方向上需要施加的作用力表示,主轴静刚度越大端部变形越小。静刚度分为径向刚度和轴向刚度,径向刚度是衡量主轴单元刚度的重要指标,本文采用台架试验测试径向静刚度。参考GB/T23567.1—2009《数控机床可靠性评定第1部分:总则》和JB/T10801.2—2007对主轴进行径向静刚度测试。通过在轴端拉刀柄上施加径向力检测该刀柄径向位移的方式,评估装机后轴端的径向静刚度。考虑到定位预紧在主轴运转发热后会导致刚度降低[20],为更全面评估不同轴承的影响,除检测冷态径向静刚度外,还对运转温度稳定后的热态径向静刚度进行检测。1.2.4主轴温升温升会引起轴承预紧及机床头架热变形[1]。温升试验参考JB/T8801—2017《加工中心技术条件》标准,该标准要求最高速时的温度稳定后不超过60℃且温升不超过30℃。在10000r/min运转1h使主轴轴承达到热稳定后,记录环境温度,使用福禄克万用表和热电偶检测机座外壳靠近轴承外圈处的温度。1.2.5主轴抗振性振动是设备性能的关键指标,通常将振动作为质量管控的措施。轴承选型、制造及安装都会影响主轴的振动,而负载振动更会影响加工工件的精度和表面粗糙度[2]。振动试验采用机床实际加工时测量机座表面径向振动的方式进行评估。加工试验参考GB/T23567.2—2018《数控机床可靠性评定第2部分:加工中心》进行,在866型机床上试切,切削功率为驱动电动机功率的一半,使用压电陶瓷加速度传感器采集机座外壳靠近轴承外圈的径向振动加速度。1.2.6主轴可靠性可靠性是国内轴承获得市场最终认可的关键指标,也是最难验证的性能指标。可靠性评估指标(如平均无故障时间)依赖于一定数量的产品装机使用后长期跟踪出现故障的数据,仅通过加载加速寿命试验难以准确反映用户实际工况,无法获取足够的试验数据。根据可靠性浴盆曲线理论,产品初试若未发现异常,则长期使用时出现大比例异常的风险较低。对材料、设计和制造都得到优化的现代精密轴承而言,在载荷不超过套圈材料疲劳极限时轴承理论寿命非常长[3],轴承供应商指出球与沟道接触应力要小于2000MPa,油脂润滑轴承寿命还需考虑油脂老化问题。因此可靠性试验为:由轴承制造商计算陶瓷球与沟道接触应力,评估疲劳损坏风险,并进行定时长加载试验,若无异常再小批装机、跟踪轴承故障情况,以平衡试验效率与风险。参考GB/T23567.2—2018进行加载试验,在主轴端部径向加载运转200h,进行短期试验排查是否有质量问题。加载试验设备示意图如图2所示,在与芯轴锥孔接触的加载刀柄外增加加载轴承,使轴承内圈与刀柄连接,外圈与加载机座连接。1—主轴机座;2—主轴机座抱夹;3—加载机座;4—加载刀柄;5—加载轴承;6—螺杆;7—载荷传感器。图2加载试验设备示意图Fig.2Diagramofloadingtestequipment使用螺杆对机座施加径向载荷,通过加载轴承传递到加载刀柄,进而传递到芯轴和轴承上,通过螺杆下方的载荷传感器采集施加的径向载荷,实现了在运转的同时加载(转速可单独使用光电式转速计确认)。机床主轴高速角接触球轴承的技术难点为精度保持性(指在一定工作条件下精度保持在某一精度等级的能力[1])和寿命可靠性[2],试验时观察运转过程中温度和试验后锥孔精度有无变化,并在试验后拆解轴承并检查沟道进一步确认是否有异常。前述试验未见异常后进行小批装机验证,在主轴使用时间超过2000h后,关注有无因轴承质量因素导致的故障。2试验结果2.1轴承装机过程的装配性选择4种品牌轴承内、外圈尺寸偏差分别为-2,-4μm(标记结果)的样本各2套进行尺寸偏差检测,检测结果与标记结果一致;2个芯轴的上下轴承安装位尺寸偏差标记相同均为+2μm,尺寸偏差检测结果与标记结果一致;2个机座的内孔实测均存在喇叭形的尺寸收缩,靠刀柄端在下轴承处孔口尺寸偏差+2μm,中间段尺寸偏差+1μm,远离刀柄的上轴承处的尺寸偏差为0。4种品牌各2套轴承套圈和2个待装机试验机座内孔的圆度和波纹度总误差见表2和表3。表2内圈内壁和外圈外壁圆度和波纹度总误差Tab.2Roundnessandwavinesstotalerrorofinnerwallofinnerringandouterwallofouterringμm表3机座内孔圆度和波纹度总误差Tab.3Roundnessandwavinesstotalerrorofhousinginnerholeμm将上述数据代入(1)式,不同机座与不同轴承组合的最小间隙见表4:机座1与品牌D轴承组合时理论间隙最小,预估该组合会出现安装卡滞现象。表4不同零件组合的配合间隙评估Tab.4Evaluationoffitclearanceforcombinationsofdifferentpartsμm将上述轴承直接套入机座内孔进行预装验证,J1+D2组合存在明显的卡滞(手感)现象,不能顺利滑入机座底部。取出轴承后发现机座内孔与轴承外圈存在明显划痕,如图3所示,其余组合均能将轴承装入机座底部。试验结果表明,品牌D轴承套圈圆度和波纹度的一致性较差,对机座的制造精度提出了更高要求。(a)J1机座内孔(b)D2轴承外圈图3试装后J1机座内孔和D2轴承外圈的划伤Fig.3Scratchininnerholeofhousing1andouterringofbearingD2

aftertrialassembly2.2主轴精度轴承装机后测试主轴锥孔精度,发现不同品牌轴承在装机后均能达到锥孔精度要求,测试棒径向跳动均不大于2μm,表明国内轴承可满足加工中心机械主轴精度设计需求。对装机后的主轴进行动态精度检测,为提高精度评估有效性只列出750r/min的结果,由表5可知:国内轴承装机样本保持架的倍频和2倍频比国外轴承的高,结合之前品牌D轴承在装配性试验时表现较差的结果看,应是轴承本身精度对主轴旋转精度有影响;不同品牌轴承测得的3倍频、4倍频差别不大,分析其主要原因为测试棒制造误差;国内轴承的非同步运动误差整体比国外轴承的高;品牌C轴承动态精度优于品牌D轴承,而2套国外轴承的一致性更好。表5整机动态精度Tab.5Dynamicaccuracyofwholemachineμm国内轴承主轴锥孔精度与国外轴承相当,非同步运动误差和保持架振动与国外轴承有一定的差距,对于加工中心主轴来说,必须保证锥孔精度,而非同步运动误差要求没有磨床头架主轴等产品要求高,与已批量用于加工中心主轴的国外轴承相比,国内轴承动态精度差距不大,认为国内轴承可满足试验主轴的精度要求(动态精度目前没有统一标准,克林伯格磨床展会和宣传样册的标称精度为0.4μm,直连主轴的要求偏低)。2.3主轴径向静刚度主轴的径向静刚度见表6,热态径向刚度在转速8000r/min,温升稳定在(15±1)℃时测得,未选择更高转速的原因是高速均为轻载切削,热态径向刚度损失相对较少。国内轴承冷态径向静刚度略优于国外轴承,热态径向静刚度差别不大,发热后刚度损失比国外轴承的略大。表6主轴径向静刚度Tab.6Radialstaticstiffnessofspindle2.4主轴温升温升试验(环境温度22℃)的数据见表7,轴承温升差别不大,符合最高温升不大于30℃的标准要求。表7主轴运转后机座温升Tab.7Temperatureriseofhousingafterspindlerunning2.5主轴抗振性抗振性试验为加工过程中的振动测试。加工试验采用Φ50mm的四刃刀,刀尖距离轴端120mm,加工材料为P20模具钢,转速为1200r/min,进给量为3000mm/min,切削深度为0.8mm,切削宽度为刀具直径的60%,刀具供应商计算切削功率达5.8kW,实际机床配置电动机功率为11.7kW,机床数控系统显示电动机负载比例42%(即4.9kW),略低于理论计算值。加工后工件表面刀纹均未见明显差异。加工过程中机座的径向振动速度值见表8,国内轴承加工振动更低,原因可能为球径的差异,大球在大切削量重加工时抗振性更好。相同工况不同轴承整机振动的差异性说明本文试验方案可有效区分不同品牌轴承切削抗振性。表8加工过程中机座的径向振动Tab.8Radialvibrationofhousingduringprocessing2.6主轴可靠性可靠性试验包括理论校核、加载试验和装机应用。轴承供应商计算的12000r/min时空载(工况1),1200r/min时轴端受载1840N(工况2),3000r/min时轴端受载3000N(工况3)对应的球与沟道最大接触应力见表9。12000r/min时空载的原因是在常用转速极限之上增加2000r/min以验证高速稳定性;1200r/min受力1840N为对应本文切削抗振试验工况;3000r/min受力3000N为本文加载试验工况。虽然并非全部供应商都能提供校核支持,但2种国内轴承球径一样,故认为2种国内轴承都可满足接触应力极限要求。表9不同工况下球与沟道的最大接触应力Tab.9Maximumcontactstressbetweenballandracewayunderdifferentworkingconditions完成理论计算后进行加载试验,对国内轴承C,D进行装机。