尹延经/牛青波等

　　现代数控装备秉承高速、高效和高可靠性的理念，其对数控机床主轴轴承提出了高刚度、高可靠性和长寿命的要求。某型号机床主轴采用原7014C/P4轴承作为主支承，转速满足使用要求，主轴使用2000h后，主轴出现振动噪声大，主轴精度失效的问题，经对其主轴轴承分析，轴承振动大，轴承滚道磨损严重，接触区域出现疲劳剥落，次表面出现疲劳源。这是由于在滚道次表面出现了大量的微腔，这些微腔由于交变应力的作用形成微裂纹而引起疲劳损伤，次表面二次裂纹向滚道表面扩展形成疲劳剥离，次表面裂纹主要以剪切模式平行或近似平行轴承滚道生长。以此主轴轴承为研究对象，采用理论计算球组旋滚比，运用RomaxCLOUD软件为平台，选取内、外圈沟曲率半径系数、球径和球数为优化因素，以刚度、疲劳寿命、Z小油膜厚度、套圈次表层Z大剪切应力和钢球Z大旋滚比作为目标函数的优化数学模型，采用功效系数法，优化设计此工况条件下的主轴轴承，经强化寿命试验验证，优化设计的主轴轴承疲劳寿命达到10000h，满足了数控机床主轴长寿命、高可靠性要求，验证了采用RomaxCLOUD软件对主轴轴承的结构设计及性能分析的适用性和准确性。
　　1　RomaxCLOUD系统介绍

　　RomaxCLOUD轴承设计与仿真分析系统是洛阳轴研科技股份有限公司与英国Romax科技有限公司共同研发并且拥有完全自主知识产权的高级轴承设计仿真分析云服务协同创新平台，云端服务平台，具有维护方便、成本低、数据安全的优点。现阶段RomaxCLOUD提供圆锥滚子轴承、深沟球轴承、角接触球轴承、圆柱滚子轴承、滚针轴承这五种轴承库及其以及非标轴承参数化设计，可实现轴承参数化绘图，出具符合国家标准规范的轴承设计图纸，依照国家标准标注轴承精度指标、尺寸公差和形位公差。
　　RomaxCLOUD是专业的轴承性能仿真工具，以“RomaxDesigner”为仿真内核，保证了仿真结果的正确性。此外，它还考虑了轴承的安装工况，可以对轴承安装工况条件下的刚度、寿命、载荷分布、位移、接触应力、润滑油膜分布等进行计算，并出具符合标准的分析报告。
　　2　模型建立

　　RomaxCLOUD轴系建立方法类同于RomaxDesigner，选取的轴系在RomaxCLOUD中建立的轴—轴承系统模型如图1所示，分析模型采用简化处理，两套7014C/P4轴承采用DB配置，轴承参数及工况条件如表1所示。

　　3　优化设计

　　本文选取轴承优化设计方法之功效系数法，完成主轴轴承7014C/P4的优化设计。功效系数法可满足对轴承性能指标的总体评价，通过调整加权因子，突出轴承某一性能指标，适用于不同工况要求轴承的设计需求。
　　3.1变量参数确定
　　选取内圈半径系数（f_i）、外圈半径系数（f_e）球径（D_w）和球数（Z）为优化因素，根据设计经验，f_i选取0.53、0.535、0.54、0.545、0.55五个因素水平；f_e选取0.52、0.525、0.53、0.535、0.54五个因素水平。根据RomaxCLOUD轴承设计与仿真分析系统里内嵌的球数约束条件、球径约束条件，球径D_w选取取12mm、12.7mm两个因素水平，球数Z选取19、20两个因素水平。
　　3.2目标函数加权系数确定
　　根据此类轴承失效分析可得，此型号主轴轴承权重因子依次为钢球Z大旋滚比（ω_s/ω_r）、疲劳寿命（L_10h）、刚度（J）、Z小油膜厚度（λ）和套圈次表层Z大剪切应力（τ）。目标函数权重因子如表2所示。

　　根据表2中各目标函数权重因子，建立目标函数如式（1）所示。

　　D=0.45d（f_m（ω_s/ω_r））+0.25d（f_m（L_10h））+0.1d（f_m（J））+0.1d（f_m（λ））+0.1d（f_m（τ））　　（1）
　　式（1）中　d（f_m（ω_s/ω_r））、d（f_m（L_10h））、d（f_m（J））、d（f_m（λ））、d（f_m（τ））分别为钢球Z大旋滚比（ω_s/ω_r）、疲劳寿命（L_10h）、刚度（J）、Z小油膜厚度（λ）和套圈次表层Z大应力（τ）不同值所对应的功效系数。
　　3.3各因素水平计算
　　由于因素较多，f_i和f_e两因素水平多，故采用正交试验方法组合各因素及水平。根据设计经验，针对高速精密角接触球轴承，载荷不大情况下，宜采用f_i-f_e≥0.015，形成各因素组合及计算数值如表3所示。
　　根据表3的仿真计算可得，采用上述优化方案Z优方案为6号方案，目标函数值Z大，其结构参数：f_i=0.54，f_e=0.525，D_w=12.7，Z=19；目标函数：钢球Z大旋滚比（ω_s/ω_r）为0.0785，套圈次表层Z大应力（τ）为437MPa，疲劳寿命（L_10h）达到9.497×10⁵h、轴向刚度（J）达到74278N/mm、Z小油膜厚度（λ）达到437nm。

　　4　试验研究

　　依据6号方案的结构参数，采用RomaxCLOUD生成了新的7014C/P4产品图，相对于常规CAD软件绘图，具有操作简便、效率高、准确性高的优点。根据产品图，研制了轴承样品。参照强化寿命的原理，采用国家轴承质量监督检验中心的B30-60型轴承试验机，针对优化设计的7014C/P4轴承样品进行了强化寿命试验，试验主轴结构如图2所示。B30-60型轴承试验机可同时开展4套轴承试验工作，内圈旋转，油润滑，试验轴承径向力和轴向力采用液压加载，试验过程中检测试验轴承的外圈温度和试验主轴的整体振动。结合实际工况条件，500h强化寿命的试验条件为：主轴转速5000r/min，施加的轴向力（Fa）为1500N，施加的径向力（2Fr）为5100N，2号和3号试验轴承通过预紧力方式施加轴向载荷Fa。试验过程中4套试验轴承的平均温升曲线如图3所示，试验轴承折整体振动情况如图4所示。

　　由图3和图4可得，试验轴承经平均温度和整体振动加速度随试验进行均趋于稳定，试验过程中未出现异常，500h试验完成后，对试验轴承进行检测，未出现疲劳剥落。验证了优化设计完成的轴承其疲劳寿命满足10000h要求，RomaxCLOUD仿真计算结果有效准确，以RomaxCLOUD为平台优化设计的高速精密主轴轴承可用于工程实践。
　　5　结论

　　（1）基于RomaxCLOUD云服务系统，结合经典理论计算和主轴轴承优化设计经验，增加了Z小油膜厚度和次表层Z大剪切应力作为目标函数，采用功效系数法，完成了高速精密主轴轴承7014C/P4轴承的优化设计，其结构参数为：fi=0.54，fe=0.525，Dw=12.7，Z=19。
　　（2）针对优化设计的主轴轴承7014C/P4轴承进行了强化寿命试验，试验轴承振动和温升性能良好，试验轴承未出现疲劳失效，满足了工况要求。
　　（3）本文采用RomaxCLOUD云服务系统和经典理论计算相结合的主轴轴承优化设计方法，对完善轴承综合性能，提升主轴轴承优化设计效率具有一定的参考意义。