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机械主轴轴承振动监测与故障诊断研究

常用的数控车床机械主轴单元通常按照其机床的加工性能,对主轴的结构有不同的要求,通常会按照机床的刚度指标分成三大类。

一、高速轻载型

  该主轴的配置是以车削有色金属为主或轻切的机床上,轴承结构为前三后二的角接触轴承组合结构,由于具有很强的高速性,配合CBN或其它硬质合金刀具,可以获得较高的工件粗糙度及真圆度。这个类型的主轴在华南地区的机床制造领域是非常普遍的,几乎配置了98%以上的数控车床。HEAVY CUT公司批量制造的该款主轴其内部结构如图1所示。

  为了满足主轴的高速性,在这款主轴的轴承结构中,其预紧载荷大部分采取轻预紧或特轻预紧的方式对轴承进行配对。值得提出的是,国产轴承的配对预紧标准相对进口品牌产品而言,其预紧量高出进口产品的几倍、十倍、甚至几十倍,这与一个行业执行标准有关,也是我国高速轴承在主轴行业的应用表现不及进口产品的主要原因。当然,从角度来讲,国产轴承的配对后相对轴向刚度优于进口轴承,但在高速特性应用方面却损失了市场。

  通常在轴承的接触角度选择上,可以适当的通过加大接触角而增加主轴承的轴向刚度系数。目前常用的接触角度为15°、25°及进口产品的18°角。接触角度值越大,其轴向刚度值越大。相反,接触角越大,其高速性指标越低,其额定载荷指标也越低。

  标准型的角接触球轴承,在实际运用中,按轴承的内径计算已经达到了20~25m/s的工作线数度。HEAVY CUT公司技术部门做过一项实验,在预载力同等的条件下,国产轴承也能够胜任这项工作指标。同一规格的产品,钢球直径越小,其速度指标也越高。


二、中高速重载型

  重载系列的车床主轴单元,在我国及世界车床的发展史上也是刚兴起不久的一种结构,主要从追求主轴的速度上作出的改进,将原来的平面轴承改成了一套角接触轴承,从而提高了车床的转速。其前后都采用了圆锥孔双列短圆柱滚子轴承,中间配置一对角接触球轴承。结构参见图2。日本马扎克通常都采用了这种结构,值得提出的是,角接触轴承的角度在25度以上,以满足径向和轴向刚度的平衡。但是,圆锥孔双列短圆柱滚子轴承的游隙调整比较困难,它直接影响主轴的回转精度,在游隙控制在2~3微米时,主轴可以获得1微米以内的回转精度。目前为止我国还没有专门用于检测调整游隙用的专用包络量具,这不能不说是中国轴承行业的耻辱。除此之外,与轴承锥度的接触面要求也非常高,对轴的中空比有限制等工艺上特殊要求,也阻碍着这款主轴结构的发展。由于该款轴承特别适合于重切削高精度机床,所以日本及欧美也对中国的销售加以限制,目前市面上能够采购到的gao级别也只有FAG的SP级产品,进口机床一般都是配置的P4级产品。而国产品由于没有较好的检测手段,精度等级与进口品相比仍有很大的差距。

  其实,数控车床在轴承配置方面的结构还是这一种,它的高速性能在精度保证的前提下可以达到15~20m/s的线速度,对于车削获得较高的粗糙度是完全满足的,在重切削性能方面相对高速轻载型结构是无可比拟的。

  如果是作为车铣复合中心机床的主轴,在低速插补铣削方面,这种结构显得尤为重要,角接触轴承在这个方面的优势及圆柱滚子轴承。

  事实上,数控车床主轴结构一直都在沿用这种轴承配置方法,国内目前还没有达到这个普及水平,其真正的原因还是受轴承产品的精度和测量工艺的量具以及加工装配工艺的限制。相信在不久的将来,我们会突破各种困难,将这种结构主轴的优势得以充分的发挥。HEAVY CUT公司在主轴入市的初期阶段,主推的产品结构就属于这一种,但由于轴承方面的稳定性尚未突破,目前并未投入大量的生产。在车铣复合机床方面,我们还是希望广大用户采用这种结构,不过,要想实现主轴的高速性能,轴承还必需依赖进口。


三、中低速重载型

  在现在的数控车床中,由于特殊工况的原因,需要主轴在轴向和径向方面都具有极高的刚度指标,同时也需要具备高速特征,以满足实际加工工艺的需要。这些主要体现在立式数控车床、卧式数控旋压车床等方面。早期的数控车床基本都是采用这种结构,前后的径向支撑为圆锥孔双列短圆柱滚子轴承,中间的轴向支撑采用双向角接触推力球轴承。如图3所示。

  随着刀具行业的迅猛发展,这款结构的主轴在高速特性方面不再具有任何优势,也就逐渐退出了主导市场。但我们不得不承认,这种重载型结构在特种需求场合仍然有自己的优势。

四、三种不同主轴结构的数据比较

  为了满足不同机床特性的需求,HEAVYCUT公司对相同规格不同载荷结构的主轴作了系列化设计,只需要更换少数不同的轴承与零件,就能够组装出自己需求的主轴,以满足客户不同工况机型的需要。我们以常见的A2-4车床机械主轴单元为例,对其机械性能数据进行比对,具体参见表1。

  从表1中我们不难发现,径向载荷与轴向刚度的综合值越高,主轴的转速性能就越低。同时提出的是,综合值越高,轴承的成本也就越高。

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