国内外数控机床主轴精度保持性分析及轴承间隙

发布时间:2020-02-13  发布者:禹创重工机械
国产数控机床与国外数控机床的精度保持性有很大的差距,在国家科技重大专项的支持下,针对某型号卧式加工中心、立式加工中心和磨齿机精度保持性问题,笔者走访了10余家机床用户,翻阅了机床厂的部分维修记录,得到了机床的精度衰退情况。
磨损是造成机床精度下降的原因。正常磨损情况下,机床精度保持时间与零部件(导轨、轴承等)寿命是相当的。根据对国产机床设计、制造过程和使用情况的调研,得到国产机床精度衰退的主要原因是运动部件间非正常磨损的结论。
数控机床精度保持性衰退原因和提高措施因结构形式的不同而不同。主轴部件因高速旋转,既不同于直线进给轴的运动形式,又与旋转进给轴速度差别较大,因此,本文将主轴精度单独于几何精度之外,作为一项单独的精度指标。除主轴精度外,轴线的几何精度是机床精度的基础,而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度。为了便于找出精度衰退的原因,把机床精度分成三个部分:主轴精度、几何精度和运动精度。根据调研的10余家国产数控机床用户的机床精度衰退情况得到:主轴精度衰退14例,占调研机床总数的11.5%;几何精度(不包括主轴精度,下同)衰退76例,占调研机床总数的62.3%;运动精度衰退24例,占调研机床总数的19.7%;其他精度问题8例,占调研机床总数的6.6%。
本文针对国产数控机床精度保持性存在的问题,从主轴精度、几何精度、运动精度及整机精度监控四个方面分析了国产数控机床在设计、制造和使用阶段造成精度保持性差的原因及解决方法,回顾了目前国产机床精度保持性的研究现状,并给出了提高国产数控机床精度保持性的建议。
主轴在设计阶段的主要任务是完成结构方案、分配零部件公差及确定零件间的配合;在制造阶段的主要任务是合理地施加预紧力,保证主轴刚度,限制主轴温升。国产主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合,在制造时根据经验选择预紧力,缺少科学计算的指导。使用时,主轴的温升会造成轴承间隙、预紧力的变化,如果在设计、制造时考虑不充分,就会造成轴承的非正常磨损。密封、润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损。
因此,造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为:设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小、密封及润滑结构不合理,以及制造阶段预紧力过大或过小。
1、轴承间隙的合理设计
设计阶段,通常为了保证主轴径向跳动精度,选择较小的轴承和主轴箱间隙。在结构和冷却、润滑参数确定的情况下,间隙越大,主轴径向跳动越大;反之,间隙越小,主轴径向跳动越小,但主轴发热变形越大,容易加剧磨损或者造成轴承卡死。为了提高主轴的精度保持性,合理地选择轴承与主轴箱间隙,减小轴承的非正常磨损显得尤其重要。
主轴在使用时温度造成
角接触轴承尺寸的变化情况,并给出了计算方程,但是计算精度不够高。为了从热变形、刚度等方面来评价间隙设计结果,利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主轴箱混合模型,分析了因旋转速度变化形成的离心力造成的间隙变化。考虑了轴承滚珠、滚道的接触变形线性叠加轴承外圈与轴承座的热变形来计算轴承间隙。轴承间隙随外部载荷、转速和操作时间变化的变形曲线,为间隙设计提供了依据。但是其提供的是单个轴承在各种工况下的变形量,一般情况下,主轴轴承是成组使用的。
因此,为了提高主轴的精度保持性,减小轴承非正常磨损,在设计轴承间隙时,需要同时考虑转速变化引起的离心力造成的轴承变形、预紧力造成的轴承发热变形、主轴的冷却效果以及轴承的配置方式等的影响。
2、预紧力的合理选择
主轴的功能是给刀具提供足够的动力和刚度来保证正常切削工件。在制造阶段,为了保证主轴有足够的刚度,往往对轴承施加预紧力。预紧力越大,主轴刚度越大,主轴发热变形也越大,轴承越容易磨损,主轴精度保持性越差。合理保证服役状态下主轴预紧力,能够减小主轴轴承发热造成的非正常磨损,提高主轴精度保持性。
因此,考虑使用状态下的转速、切削载荷、温升对预紧力的影响,才能保证装配时的预紧力在使用状态下是合理的,减小预紧力设置不当造成的精度衰退,提高主轴精度的保持性。
3、润滑和密封不当
主轴轴承的密封和润滑不当也是造成国产数控机床主轴、特别是磨削类主轴轴承非正常磨损的重要原因。国产主轴轴承损坏的形式,指出润滑不良是主轴异常磨损的一个重要因素。磨削类机床由于砂轮在工作时磨粒的脱落造成冷却液中杂质过多,如果轴承密封不良更容易造成主轴轴承的磨损。某型号磨床主轴轴承密封不严造成主轴磨损的情况(最严重的情况是试切时轴承磨损损坏),改进了主轴密封结构,使其精度保持时间延长。
由国产主轴精度保持性的分析和回顾可知,提高国产数控机床主轴精度保持性的措施应在主轴的设计和制造阶段实施。应考虑主轴使用工况,合理设计主轴间隙、选择预紧力,进而提高机床主轴精度保持性。
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