｜加工中心主軸浮動端軸承的失效分析

摘要：定位-浮動軸承佈置形式常用於機床主軸的設計中，浮動端提供的軸向自由度可減小主軸溫升帶來的軸承內部應力，提高機床的加工精度，但浮動功能失效時對軸承危害極大，甚至導致軸承短時間內卡死。許多的主軸設計中，浮動功能主要靠主軸軸承外圈與軸承座孔之間的間隙值實現，因此外圈與軸承座孔之間的間隙控制對浮動功能的實現尤為重要。本文通過一實例向讀者展示由於間隙控制不當導致的軸承失效實例定性及定量分析浮動失效帶來的危害。

Abstract: Locating - floating bearing arrangement is quite often used in machine tool spindle design. The DOF provided by floating side can release the inner stress of bearing cauased by temperature rising. This can help improving the machining accuracy of machine tool. But the invalidation of the floating function has great impact to bearing, even lead to stick in a extremely short time. In many spindle design. The realization of floating function is based on the gap between the bearing out ring and housing. So the control of the this gap is especially important. Through a bearing failure case this artical shows the harm caused by floating failure from both quaslitative and quantitative aspect.

關鍵詞：主軸軸承、軸承佈置、浮動失效

Keywords：Spindle bearing, Bearing arrangement, Floating failure

前言
在軸系中起支撐作用的軸承可以組合為不同的佈置形式，“定位-浮動”及可調整的軸承佈置最為常見。“定位-浮動”佈置中，軸系在一端軸向定位，而在另一端可以補償軸系溫差帶來的相對長度變化，浮動功能可以通過軸承內圈與軸、軸承外圈與軸承座的鬆配合或軸承本身實現【1】，定位及浮動端軸承組合常見形式如圖1所示。如圖1-(a)、圖1-(b)所示，浮動端使用內圈無擋邊的圓柱滾子軸承，其浮動功能的實現靠軸承內部滾子與滾道之間的內部自由度實現。而對於圖1-(c)、圖1-(d)所示的軸承佈置，調心滾子軸承及深溝球軸承作為浮動端軸承，其浮動功能靠軸承外圈與軸承座之間的間隙配合提供的外部自由度實現。

機床主軸的軸承佈置選擇，因其對軸向定位精度要求極高，且需考慮在運轉過程溫升引起的軸與軸承座之間溫差造成的支撐軸的兩向心軸承相對距離的改變，可調整的定位-浮動佈置形式常被採用。

加工中心的主軸設計中，主軸軸承用作浮動端軸承時，其浮動功能靠軸承外圈與軸承座孔之間的間隙配合實現，配合的間隙量需通過軸承座孔的加工精確控制在合理的範圍內，各尺寸段浮動端主軸軸承對應的軸承座公稱內徑的加工推薦偏差如圖2所示。
合適的間隙值是保證浮動功能可靠實現的前提，除以上提到的軸承座孔的加工公差的影響外，為控制溫升在軸承座上施加冷卻帶來的軸承與軸承座的溫差導致的間隙減小通常容易被忽略。當浮動端軸承失去浮動功能時，軸系溫升帶來的軸向伸長會在軸承內部形成附加軸向力或使預緊狀態的軸承卸載，配對使用的主軸軸承預緊力、卸載力及軸承變形曲線如圖2所示，當外部軸向載荷Fa=KaE或當外力引起的變形量等於軸承的初始變形量a20時，2號軸承被卸載，與此同時1號軸承的預緊相應增加。如圖3所示。

無論軸承被卸載或預緊增加都導致軸承運轉工況惡劣，常致使軸承失效，以下是以具體的軸承失效案例來說明這種影響。
該款機型的主軸採用固定-浮動的佈置方式，固定端軸承為HSS7020-C-T-P4S，浮動端軸承為HSS7018-C-T-P4S，浮動通過軸承外圈和軸承座的間隙配合實現，設計圖如圖4所示。

跑合過程中最高轉速為6000 RPM。跑合過程中使用油冷機實現軸承座及軸承外圈的冷卻，油冷機設置溫度為低於環境溫度2℃。跑合過程中不斷發現浮動端軸承短時間內“卡死”的現象，拆下後發現其保持架已經斷裂，滾動體有明顯燒傷變色，且相同的失效現象在跑合過程中反覆的發生。依據此典型的失效現象初步判斷為浮動功能失效導致的軸承卡死，但是通過查看設計圖紙，浮動端軸承座孔徑與軸承外徑間隙量8—9微米，此“定位-浮動”軸承佈置沒有明顯的設計漏洞，周邊部件的加工公差也完全符合要求，最終在主軸跑合現場發現了問題所在，由於使用油冷機通過軸承座對主軸-軸承系統進行冷卻，但油冷機溫度設定為低於室溫2℃，主軸跑和溫度為35℃，此時軸承內外圈溫差可到10K。這導致軸承座“熱脹冷縮”效應後使軸承外圈與軸承座內孔的配合間隙減小，以致不能達到浮動端軸承實現良好的浮動功能所需的間隙值，使浮動功能喪失。