□ 孫井泉 □ 姜 華

通用技術(shù)集團沈陽機床股份有限公司 沈陽 110142

1 研究背景

隨著數(shù)控機床得到廣泛應(yīng)用,復(fù)合、智能、高速、精密、高可靠性已經(jīng)成為當(dāng)今機床技術(shù)的主要發(fā)展方向。其中,高速、精密、高可靠性均受機床主軸單元的裝配質(zhì)量影響。然而,主軸單元的裝配質(zhì)量又受與之配套的精密主軸軸承的裝配質(zhì)量影響,所以對精密軸承裝配技術(shù)的研究應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視。某型號主軸單元結(jié)構(gòu)如圖1所示,筆者結(jié)合主軸單元軸承配置,探討高速精密機床精密軸承的裝配技術(shù),介紹精密軸承組件裝配的研究成果,包括精密軸承清洗、鎖緊螺母檢測、軸承隔套研磨并檢測、前后軸承端蓋測量并修配、軸承定向裝配、潤滑脂分布磨合、主軸幾何精度檢測,并通過精車零件外圓的方式驗證相關(guān)裝配技術(shù)要求的正確性、合理性,具有廣泛推廣、借鑒的價值。

圖1 主軸單元結(jié)構(gòu)

2 主軸部件結(jié)構(gòu)

主軸為兩點支撐結(jié)構(gòu),前端由成組角接觸球軸承支撐,其中兩個軸承串聯(lián),與第三個軸承通過內(nèi)外隔套背對背布置。

由前軸承壓蓋、外環(huán)隔套、主軸箱體的定位止口來定位緊固軸承外環(huán),由主軸軸肩、內(nèi)環(huán)隔套來定位軸承內(nèi)環(huán),由前軸承鎖緊螺母緊固軸承內(nèi)環(huán)。

旋緊螺母,軸承內(nèi)環(huán)在軸上移動,移動至軸承內(nèi)環(huán)端面與內(nèi)環(huán)隔套端面接觸而定位。

此時可以消除軸承游隙,滾珠與滾道產(chǎn)生正壓力,為軸承加上預(yù)緊力,軸承就可同時承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。

后端由雙列圓柱滾子軸承進(jìn)行支撐,通過調(diào)整隔墊的厚度,控制軸承內(nèi)環(huán)相對主軸1∶12錐面上的軸向位置,以膨脹內(nèi)環(huán)的辦法消除滾道與滾柱的徑向間隙。在機床切削過程中,內(nèi)環(huán)旋轉(zhuǎn),外環(huán)相對固定不動。

主軸最高轉(zhuǎn)速為5 000 r/min,主軸鼻端為7°7′30″短錐面,徑向跳動、卡盤安裝端面跳動、主軸周期性軸向竄動的允許誤差均為0.002 mm,加工零件的圓度為0.002 mm。

3 主軸單元裝配流程

根據(jù)目標(biāo)主軸單元的結(jié)構(gòu)特點及關(guān)于幾何精度的具體要求,制訂主軸單元裝配流程,如圖2 所示。嚴(yán)格控制流程中的關(guān)鍵工序裝配質(zhì)量,以確保主軸部件的相關(guān)技術(shù)要求得以實現(xiàn)。

圖2 主軸單元裝配流程

4 精密軸承裝配前準(zhǔn)備

備齊相關(guān)零件及工裝、量檢具,查驗軸承組件的加工質(zhì)量跟蹤單,禁止不合格零件進(jìn)入裝配現(xiàn)場,要求量檢具精度合格,且在檢測周期內(nèi)。

為避免主軸、隔套等高精度零件在加工及運輸過程中產(chǎn)生的毛刺、磕碰對后序裝配的精密軸承滾道造成損傷,要求對軸承組件中所有的零件逐一進(jìn)行清洗,對存在的銳邊、毛刺、碰傷等進(jìn)行清除。

4.1 軸承清洗與注脂

精密軸承需在裝配前從原包裝中取出,而未加脂精密軸承應(yīng)立即進(jìn)行去脂清洗和涂脂處理。對精密軸承去脂清洗,可采用粗洗和精洗兩序的方式進(jìn)行,清洗劑使用航空煤油。粗洗時,需避免轉(zhuǎn)動軸承,使用工具清除附著在軸承表面的臟物后,再放入精洗槽中。精洗時,允許輕輕轉(zhuǎn)動軸承,與此同時,檢查軸承是否有異常響聲,并觀察滾動體表面是否有損傷。清洗干凈的軸承完全干燥后,才允許注入潤滑脂。

精密軸承清洗時必須注意環(huán)境保護(hù)、健康防護(hù)和工作安全性,清洗劑的操作方法必須遵守產(chǎn)品說明,以免發(fā)生危險。

為保證在無礙潤滑性能的前提下簡化磨合運轉(zhuǎn),潤滑脂填充量需嚴(yán)格按軸承廠家推薦值執(zhí)行。以某機床專用高速主軸軸承為例,圓柱滾子軸承潤滑脂填充量建議為空間容積的10%,角接觸球軸承潤滑脂填充量建議為空間容積的15%。潤滑脂填充量除了通過查詢軸承廠家的推薦值外,在實際使用時,也可以采用簡易公式計算出參考值:

V=10-5f(D2-d2)B

(1)

式中:V為潤滑脂大概填充量,cm3;f為常數(shù),NN30系列軸承f為1.5,NN70系列軸承f為1.7;D為軸承的公稱外徑,mm;d為軸承的公稱內(nèi)徑,mm;B為軸承的寬度,mm。

選用可讀填充量的注射器定量注脂。球軸承的填充方法是在各個球之間均勻填充,保持架引導(dǎo)面也需涂上薄薄的一層潤滑脂,用手轉(zhuǎn)動軸承,使?jié)櫥鶆虻剡M(jìn)入滾道面、保持架內(nèi)部、各個球之間、引導(dǎo)面等各處,直至潤滑脂充滿軸承內(nèi)部空間。圓柱滾子軸承的填充方法是將80%填充量的潤滑脂均勻地涂在滾子的滾動面上,保持架內(nèi)側(cè)無需涂抹太多。將20%填充量的潤滑脂均勻地薄涂在將安裝進(jìn)主軸箱體孔的外環(huán)滾道面上。

4.2 鎖緊螺母檢測

軸承鎖緊螺母的工作端面與主軸上相對應(yīng)的螺紋的垂直精度至關(guān)重要。在零件加工過程中,通常采用主軸螺紋與對應(yīng)鎖緊螺母配車的加工工藝來保證這一精度。技術(shù)要求鎖緊螺母與主軸螺紋的配合應(yīng)有一定間隙,以便螺母在壓緊軸承時能夠調(diào)位,避免主軸變形而產(chǎn)生跳動,從而保證軸承受力均勻,減小滾道變形。在裝配前,要求復(fù)檢鎖緊螺母的工作端面對主軸回轉(zhuǎn)軸線的跳動,以此代替垂直度。

鎖緊螺母裝配前檢測如圖3所示。核算前后軸承鎖緊螺母在裝配后處于主軸上的理論位置,即鎖緊螺母工作端面與對應(yīng)裝配基準(zhǔn)的距離L1、L2,然后在對應(yīng)螺紋處旋入螺母,使之盡量接近最終狀態(tài),并緊固鎖緊塊。將主軸置于專用檢具上并平穩(wěn)旋轉(zhuǎn),使用千分表檢測。根據(jù)檢測結(jié)果,調(diào)整鎖緊螺母狀態(tài),要求測量值不大于0.002 mm。

圖3 鎖緊螺母裝配前檢測

4.3 主軸鼻端定位錐面對軸頸中心線偏差檢測

為滿足定向裝配主軸軸承的要求,在復(fù)檢鎖緊螺母精度工序中,需打表檢測主軸鼻端7°7′30″短錐面對主軸軸頸回轉(zhuǎn)中心線的偏差,并將偏差最大值對應(yīng)軸截面用樣沖眼標(biāo)記在短錐端面,即主軸端面,作為永久標(biāo)志。

4.4 涂色法檢測主軸相關(guān)錐面接觸率

主軸1∶12錐度配合面與圓柱滾子軸承內(nèi)環(huán)的接觸率及主軸鼻端7°7′30″短錐面與卡盤等工裝夾具對應(yīng)內(nèi)孔的接觸率將影響零件配合的連接剛性。按技術(shù)要求,需對主軸上述兩處錐面進(jìn)行接觸率檢測,即分別使用與主軸一一對應(yīng)的軸承內(nèi)環(huán)和外錐用量規(guī)以涂色法檢測相應(yīng)錐面的接觸率。要求接觸點靠近圓錐表面的大端,從圓錐大端起,實際接觸長度的平均值與合研面工作長度的接觸比值不小于85%,且不應(yīng)有明顯的空白區(qū)域。同時,使用外錐用量規(guī)及零級精度量塊檢測主軸鼻端的卡盤安裝面與環(huán)規(guī)的間隙,主軸鼻端卡盤安裝面檢測如圖4 所示,要求處于0.03～0.06 mm之間。

圖4 主軸鼻端卡盤安裝面檢測

4.5 軸承隔套研磨與精度檢測

為保證軸承預(yù)緊時軸承能夠平穩(wěn)且均勻受力,以獲得較高的主軸裝配精度,軸承隔套兩端面的平面度、平行度、厚度尺寸一致性的精度均需嚴(yán)格保證。根據(jù)經(jīng)驗,采用以研代磨的方式對軸承隔套進(jìn)行加工,可以實現(xiàn)關(guān)于精度允許誤差的技術(shù)要求。軸承隔套研磨加工工藝如圖5所示。軸承隔套研磨加工精度允許誤差見表1。首先研磨隔套的任意一個端面,將該端面設(shè)為基準(zhǔn)A。完成后,再以A面為基準(zhǔn)平磨加工另一個端面?？紤]到角接觸球軸承是生產(chǎn)廠家已完成預(yù)緊的成組軸承,要求成組檢測外環(huán)隔套和內(nèi)環(huán)隔套兩個端面的平行度、厚度尺寸差值不得超過 0.002 mm,且只允許內(nèi)環(huán)隔套的厚度H小于外環(huán)隔套厚度。如果是內(nèi)外隔套背對背組合形式,那么需通過內(nèi)外環(huán)厚度尺寸的差值調(diào)整軸承預(yù)緊。在完成雙列圓柱滾子軸承預(yù)緊后,進(jìn)行隔墊研磨工作。

表1 軸承隔套研磨加工精度允許誤差

圖5 軸承隔套研磨加工工藝

5 精密軸承組件裝配

5.1 測量并修配前后軸承端蓋

為確保前軸承壓蓋的A面在完成裝配后能夠與角接觸球軸承的外環(huán)完全貼合,并不至于使外環(huán)滾道產(chǎn)生變形,技術(shù)要求在螺栓緊固前壓蓋B面與主軸箱端面有0.01～0.03 mm的間隙,前軸承壓蓋尺寸測量如圖6所示。

圖6 前軸承壓蓋尺寸測量

使用0.02 mm和0.04 mm兩種規(guī)格的塞尺檢測間隙,要求在螺栓緊固前壓蓋與主軸箱端面之間可以插入0.02 mm塞尺,而0.04 mm塞尺不得插入。在螺栓緊固后,間隙不得插入0.02 mm塞尺。

為滿足上述技術(shù)要求,需測量主軸箱體的軸承安裝孔深度H1、前軸承外環(huán)及外環(huán)隔套總厚度h1、前軸承壓蓋A面和B面高度差h2,并通過修配前軸承壓蓋的A面或B面來保證。要求端蓋A面的平面度不得超過0.002 mm。

由于必須考慮主軸運轉(zhuǎn)受熱而伸長的實際情況,技術(shù)要求圓柱滾子軸承外環(huán)端面與后軸承端蓋之間有0.03～0.05 mm的間隙,不會導(dǎo)致軸承外環(huán)滾道因受軸向力變形而影響滾子的軸向竄動。后軸承端蓋尺寸測量如圖7所示。

圖7 后軸承端蓋尺寸測量

實測后軸承端蓋的A面和B面高度差h3及后軸承外環(huán)端面與主軸箱端面距離H2,通過修配后軸承端蓋的A面或B面來保證:

0.03 mm≤H2-h3≤0.05 mm

(2)

5.2 定向裝配主軸軸承

為保證主軸的回轉(zhuǎn)精度,在精密軸承裝配時盡可能采用定向裝配法,即在裝配主軸軸承前分別檢測軸承內(nèi)孔徑向跳動高點和主軸鼻端7°7′30″短錐面相對前后軸承安裝位公共軸線徑向跳動高點,并分別標(biāo)記。在裝配時,將前后軸承內(nèi)孔的徑向跳動最高點置于相位的同一方向上,主軸鼻端短錐面徑向跳動的最高點則置于相反的相位方向上,使誤差相互抵消而非累積,以提高裝配精度。軸承定向裝配施工如圖8所示。此時,前后軸承內(nèi)孔的徑向跳動最高點與主軸上對應(yīng)軸承安裝定位面的跳動最高點同側(cè)。

圖8 軸承定向裝配施工

對于精密級軸承而言,軸承廠家對軸承內(nèi)環(huán)的高點都有標(biāo)志,軸承品牌不同,標(biāo)志符號不同。

裝配成組角接觸球軸承時,需注意其外環(huán)外表面的V形角線圖案,如圖9所示。需將該角線對齊后再裝入主軸箱體孔中。

圖9 成組角接觸球軸承V形角線圖案

由定向裝配原理可知,以上裝配技術(shù)既可以減小軸承內(nèi)環(huán)滾道因零件配合產(chǎn)生的變形量,又可以在前后軸承及主軸的跳動量不變的情況下達(dá)到誤差補償?shù)哪康摹?/p>

5.3 角接觸球軸承安裝與調(diào)整

為提高軸承剛性,防止軸承內(nèi)環(huán)在工作期間因摩擦受熱膨脹而產(chǎn)生相對主軸滑動現(xiàn)象,角接觸球軸承的內(nèi)環(huán)與主軸之間采用過盈配合關(guān)系?？紤]到軸承的滾動體與內(nèi)外環(huán)滾道之間為點接觸,當(dāng)軸承受沖擊載荷時,容易使內(nèi)外環(huán)滾道出現(xiàn)壓痕、凹點等狀況,從而導(dǎo)致軸承高速運轉(zhuǎn)時出現(xiàn)振動大、噪聲大等不良現(xiàn)象,因此,角接觸球軸承采用熱裝的方式來避免滾動體在安裝時受力。

使用加熱箱將軸承加熱至 55～65 °C,保溫2 h,使其能夠輕易套進(jìn)主軸后再安裝。熱裝的軸承在冷卻后,不僅徑向會產(chǎn)生收縮,軸向同樣會產(chǎn)生收縮。為防止軸承內(nèi)環(huán)與主軸定位軸肩產(chǎn)生間隙,可使用軸承隔套和鎖緊螺母將軸承輕輕壓緊,直至軸承冷卻至室溫后,再重新緊固鎖緊螺母。

在不同預(yù)緊力作用下,軸承剛度和發(fā)熱情況也都不同。通過鎖緊螺母所施加的預(yù)緊力,大小一般應(yīng)根據(jù)使用經(jīng)驗和通過試驗來決定。針對圖1所示主軸單元,要求將主軸組件裝入主軸箱體且固定之后,使用扭矩扳手來控制鎖緊螺母緊固力矩的大小,施工如圖10所示。

圖10 扭矩扳手緊固鎖緊螺母施工

經(jīng)反復(fù)驗證,最終以110 N·m的鎖緊力矩緊固鎖緊螺母,主軸獲得最佳的回轉(zhuǎn)精度。施工時,為了避免安裝不到位,第一次按經(jīng)驗值的3倍擰緊鎖緊螺母,即以330 N·m的力矩值擰緊。達(dá)到既定值后,將螺母稍稍緩扣,使用橡膠錘依照對角線的順序以適當(dāng)?shù)牧Χ染鶆蚯脫糁鬏S端部,使軸承內(nèi)環(huán)產(chǎn)生的過量變形得以糾正。最后再用110 N·m的力矩鎖緊螺母并固緊。在擰緊鎖緊螺母的過程中,注意監(jiān)測主軸鼻端的相關(guān)精度,不允許超差。

6 潤滑脂分布磨合運轉(zhuǎn)

采用脂潤滑方式的軸承,在高速運轉(zhuǎn)下過高的溫升會嚴(yán)重影響軸承工作精度,導(dǎo)致精度喪失和使用壽命縮短。尤其在潤滑脂剛剛填充后的初期運轉(zhuǎn)中,會造成異常發(fā)熱,有可能導(dǎo)致潤滑脂劣化。為避免發(fā)生這一情況,需要對軸承進(jìn)行磨合運轉(zhuǎn)。經(jīng)過磨合,過量的潤滑脂強制進(jìn)入軸承溝道,使軸承內(nèi)的潤滑脂均勻分布,并可保證在軸承正常工作時的熱平衡溫度最低。一般從主軸最高轉(zhuǎn)速的10%開始,在無負(fù)荷的情況下,分檔500 r/min、1 000 r/min等逐步提高轉(zhuǎn)速。在每檔轉(zhuǎn)速下,當(dāng)軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度時再提高轉(zhuǎn)速,直至達(dá)到主軸單元的最高轉(zhuǎn)速5 000 r/min,并且溫度穩(wěn)定為止。按這一方案施工可有效避免軸承一開始即在高速和重載下使用,不會引起軸承損壞,保障軸承的使用壽命。

7 主軸單元精度檢測

7.1 幾何精度檢測

主軸單元幾何精度檢測如圖11所示。分別檢測主軸鼻端定心軸徑的徑向跳動和主軸端面跳動,要求千分表測頭垂直于被測表面,并慢速連續(xù)旋轉(zhuǎn)主軸進(jìn)行檢測。記錄千分表最大和最小讀數(shù)差,最大差值即為對應(yīng)檢測面的跳動值。

圖11 主軸單元幾何精度檢測

檢測主軸周期性軸向竄動,要求在主軸鼻端定位短錐面上安裝一個帶有垂直于軸線的平面檢具,用于檢驗軸向竄動。將千分表球形測頭觸及該平面,在低速連續(xù)旋轉(zhuǎn)主軸的情況下測取讀數(shù)。

以上檢測作為主軸單元出廠前合格證中的必檢項目,結(jié)果均無超出允許誤差0.002 mm的現(xiàn)象。

7.2 工作精度檢測

精車圓柱試件,檢驗主軸單元工作精度。車削前,以1 500 r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)至主軸軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度狀態(tài),以同樣轉(zhuǎn)速連續(xù)精車30件直徑為50 mm的棒料。精車外圓尺寸變化如圖12所示。試件圓度誤差最大值為 0.001 mm,尺寸一致性為0.002 mm,相鄰尺寸波動值為0.002 mm。

圖12 精車外圓尺寸變化

8 結(jié)束語

主軸軸承的裝配對主軸單元的最終使用效果有著決定性的影響,如運轉(zhuǎn)精度、穩(wěn)定性等,相同精度的零件未必能夠裝調(diào)出相同精度的主軸單元,因此要求在裝配過程中采用正確的方法、統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn),確保主軸單元的使用效果。筆者就某型主軸單元所配置的精密軸承裝配技術(shù)進(jìn)行了深入研究,制訂出主軸單元的裝配流程,包括精密軸承裝配前準(zhǔn)備、精密軸承組件裝配、潤滑脂分布磨合運轉(zhuǎn)等關(guān)鍵裝配工序的方法與技術(shù)要求,同時對主軸單元幾何精度及工作精度的檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤總結(jié)。結(jié)果表明,嚴(yán)格按既定裝配流程施工生產(chǎn)的主軸單元,精度和性能穩(wěn)定,均達(dá)到進(jìn)口同類產(chǎn)品的同等水平。由此證明所述裝配技術(shù)具有正確性、合理性,具有廣泛推廣、借鑒的價值。