主軸軸承預(yù)緊力預(yù)緊裝置的研究

楊云輝

摘 要：主軸軸承預(yù)緊力是高性能電主軸的核心技術(shù)，對主軸軸承預(yù)緊力的研究可知電主軸在其中發(fā)揮的最大能力，本論文主要描述的是主軸軸承預(yù)緊力發(fā)展及研究，通過研究認識到主軸軸承預(yù)緊力的發(fā)展現(xiàn)狀和未來前景。

關(guān)鍵詞：主軸；軸承預(yù)緊力；研究方向

中圖分類號：TG502 文獻標識碼：A 文章編號：2095-9052（2020）04-0198-03

相同的主軸軸承在一定的頻率下，軸承預(yù)緊力越大，主軸軸承系統(tǒng)的固有頻率也會越大；而在相同的預(yù)緊力下，主軸軸承系統(tǒng)的固有頻率會根據(jù)軸承支承跨距的變化而變化。但在實際工況中，受限于各種因素，主軸軸承負荷分布并不合理，導(dǎo)致其在工作中損害現(xiàn)象嚴重。因此，為延長主軸軸承使用壽命及提高主軸旋轉(zhuǎn)精度，需加強主軸軸承預(yù)緊力研發(fā)。同時，預(yù)緊力在高性能電主軸的優(yōu)良發(fā)揮上具有重要地位，所以，對主軸軸承預(yù)緊技術(shù)的研究也是為電主軸的未來發(fā)展奠定基礎(chǔ)。

1 軸承預(yù)緊力

1.1徑向預(yù)緊

在傳統(tǒng)機床主軸軸承徑向預(yù)緊的配置結(jié)構(gòu)中，其支承系統(tǒng)的前支承的組成部分有雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承。二者所承受的作用力不同，前者是承受徑向載荷，后者承受的是軸向載荷。后支承采用的配件和前支承的配件大致相同，都采用了雙列圓柱滾子軸承。進行安裝時，采用徑向預(yù)緊的方式來進行前后支承安裝，而預(yù)緊力的大小力度是由緊鎖螺母控制的。徑向預(yù)緊的優(yōu)點很多，主要包括預(yù)緊力的大小可以調(diào)節(jié)控制、配合精度較高、配合對預(yù)緊力的大小影響較小、預(yù)緊力對溫度的升降影響較小[1]。但是也有一些缺點，如在支承部位帶有錐度、加工比較困難、精度的數(shù)據(jù)難以保證、部位錐面的吻合度達不到要求[2]。

1.2軸向預(yù)緊

在軸向預(yù)緊的配置結(jié)構(gòu)中，其前支承的組成配件是3套角接觸球軸承按TBT方式配對，后支承則是2套按DB方式配對，采用的安裝方式是軸向預(yù)緊。而軸向預(yù)緊的支承部位的精度高，支承軸承精度相對于徑向軸承也會稍高，而且不同于徑向預(yù)緊，軸向預(yù)緊的預(yù)緊量和配對的方式直接由生產(chǎn)的廠家配對好，整個部件都處在最好的狀態(tài)。軸向預(yù)緊相對于徑向預(yù)緊優(yōu)勢會比較明顯，無論是軸承的精度或者剛度都處于上游，而且在方向不定的情況下，對增加的載荷有很好的適應(yīng)性。分析可知軸向預(yù)緊優(yōu)于徑向預(yù)緊，所以現(xiàn)代高速和高精度的機床主軸支承都采用角接觸球軸承軸向預(yù)緊。

2 載荷與預(yù)載荷

2.1載荷

主軸有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動態(tài)特性的特點，這些優(yōu)勢使得高速電主軸在高檔數(shù)控機床中運用率很高。軸承主要作用是為旋轉(zhuǎn)軸提供支撐力量，在旋轉(zhuǎn)過程中，因軸的旋轉(zhuǎn)，軸會受到徑向、軸向載荷，并相應(yīng)地作用于軸承上?？偟脕碚f，軸承載荷基本概念為影響軸承結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力及變形外力等相關(guān)因素，主要包括橫向載荷及縱向載荷兩類。在主軸軸承中，載荷直接影響主軸穩(wěn)定性，在特定機床中，由于轉(zhuǎn)速恒定，其最佳預(yù)緊力主要取決于軸承負荷。在實際應(yīng)用中，軸承使用條件差異較大，各因素對主軸載荷影響不一，如軸承材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等。

2.2預(yù)載荷

當(dāng)電主軸在實際工作中使用角接觸球軸承，大多數(shù)軸承滾珠接觸軸承的內(nèi)、外圈會隨軸承內(nèi)圈和外圈之間的間隙而交替，在這期間剛度和主軸的臨界轉(zhuǎn)速就會受到影響，速度會降低，主軸軸承系統(tǒng)的振動就會相對增加，這樣軸承的使用壽命會受到一定的影響[3]。合適的預(yù)緊力在對角線接觸軸承操作時有促進作用，不僅可以使軸承滾珠與軸承內(nèi)外圈得到接觸，與此同時，電主軸的加工精度也會提高很多。因此，需要正確加載預(yù)載荷大小。預(yù)載荷即施加于軸承上的軸向載荷，主軸預(yù)載荷由預(yù)載軸承組共同承擔(dān)，包括剛性預(yù)載荷及彈性預(yù)載荷兩類，剛性預(yù)載荷大小與軸向外載荷有關(guān)，其作用原理是利用隔圈將承載軸承與承載軸承隔離開，從而延長軸承作用點的距離，可提高主軸剛度。在進行剛性預(yù)載荷設(shè)計時，?？紤]軸承樣本中對預(yù)載荷參數(shù)的要求，視具體情況調(diào)整隔圈高度剪短量。彈性預(yù)載荷的大小不受軸向外載荷影響，通常視為恒定值，其采用彈性加載增加軸承剛度，常常通過螺旋彈簧等相關(guān)彈性元件實現(xiàn)軸承加載。

3 預(yù)緊力與載荷的關(guān)系

軸向預(yù)緊的工作原理是通過兩個部件產(chǎn)生的作用力來進行工作的，其中包括兩套軸承的內(nèi)圈和外圈的相互作用力，一是配置的隔套，另一個內(nèi)外圈存在的高度差。預(yù)緊力的產(chǎn)生消除了軸承間的高度差，在安裝成組配對時，因為軸承徑在沒有增加載荷的時候，內(nèi)圈就會形成一定的間隙，而在施加載荷之后，滾動體就會和內(nèi)外圈進行接觸，從而產(chǎn)生變形，高度差就會出現(xiàn)。這樣的做法可以在一定程度上提高精度和剛性，降低主軸的振動。軸承的工作原理受軸和載荷影響，特殊情況下，如進入高速工作時，離心力也是一大影響因素[4]。圖1是配對機床主軸軸承載荷分布示意圖。當(dāng)徑向預(yù)緊載荷大于軸向預(yù)緊載荷時，外界的徑向載荷和軸向載荷就需要里面的鋼球受到的作用力來對這兩個配件的工作進行平衡。載荷的力量使得軸承的內(nèi)外圈和部件鋼球接觸點從而產(chǎn)生了變形，以致會使內(nèi)外圈之間的徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊發(fā)生了相對的偏移，而且徑向產(chǎn)生的位移會比軸向的要大一點。此外，預(yù)緊力對主軸的剛度和精度影響很大，越大的預(yù)緊力，剛性和精度就越高。而當(dāng)軸向預(yù)緊位移大于徑向預(yù)緊位移時，載荷的力量將會分布在整個圓周上面，圓周上的鋼球會全都受到載荷的力量，雖然每個鋼球受到的載荷會有所不同，但是所有的鋼球在產(chǎn)生反作用載荷的情況下，鋼球的合力要和外力相平衡。同時，軸承內(nèi)外圈之間的軸承相對軸向的位移會增加，而徑向位移則相反，位移會減小。在實際操作中，主軸的旋轉(zhuǎn)精度明顯會比圖1的高。值得關(guān)注的是，軸向外載荷的力量在工作時可能會使相匹配的軸承沒有真正的用處，卸載無可避免，因此會考慮用定壓預(yù)緊來彌補。

4 配對方式對預(yù)載荷的影響

圖2是按DF和DB配對方式安裝的示意圖。根據(jù)對圖片的觀察，在承受徑向載荷時，不同的軸承方式配對對徑向的剛性也會有所不同。機床開始工作時，主軸的工作溫升會比軸承的要快一點，但是當(dāng)整個系統(tǒng)的熱達到一定平衡度時，軸的溫度會比軸承座要高。這時軸承的內(nèi)外圈的溫度也會有一定的差距，當(dāng)機床工作的條件都達到時，熱膨脹量也會有一定差異，軸向的熱膨脹量和外圈的熱膨脹量相比，軸向的熱膨脹量會比較大一點。如果沒有考慮到膨脹量的差異從而導(dǎo)致附加的軸向力或者其他后果，而直接使用DF方式配對的話，那么就肯定會出現(xiàn)軸承在工作時直接卡死的情況，從而產(chǎn)生不好的后果。為了安全起見，高速主軸系統(tǒng)在運用時盡量不要用DF方式進行配對。用DB方式配對不僅可防止這樣的情況出現(xiàn)，在一定的情況下也保證了機床的正常工作，DB方式配對軸的膨脹運作可以減小預(yù)緊力，從而使載荷的力量減小，那么軸承的作用就能得以體現(xiàn)，與內(nèi)外圈溫差引起的附加載荷方向相反[5]。如果安裝和設(shè)計合理的話，機床工作產(chǎn)生的載荷就會相互抵消掉，預(yù)緊力就可以完全保留下來。所以，綜上所述，DB方式配對比DF方式配對更加適用于高速機床的主軸運用中。

5 預(yù)緊措施

由以上分析可知，徑向預(yù)緊適用的軸承方向只有一個，那就是圓柱滾子軸承，而軸向預(yù)緊適用的軸承方向比徑向預(yù)緊要多一點，包括角接觸球軸承、圓錐滾子軸承和推力軸承。而對于角接觸球軸承又可以定位成另外兩個名詞：定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。即利用改變軸承的結(jié)構(gòu)和預(yù)緊力補償原理對載荷實現(xiàn)一定的控制。

5.1定位預(yù)緊

在定位預(yù)緊的工作中，在高速機床轉(zhuǎn)速不高和變速范圍較小的情況下，要利用剛性的預(yù)載荷來增加預(yù)載荷。定位預(yù)緊的優(yōu)勢在控制預(yù)緊力方面非常有效，而且操作比較方便，但是還會存在缺點，當(dāng)溫度升高的時候，內(nèi)部的軸系零件也會跟著升高，當(dāng)電主軸完成轉(zhuǎn)配之后，那么預(yù)載荷就無法調(diào)整大小，軸承就會出現(xiàn)一定的磨損，進而就要重新調(diào)整來控制系統(tǒng)，這樣會給用戶帶來很大的麻煩和不便。

5.2定壓預(yù)緊

定壓預(yù)緊使用的范圍是工作要求較高、轉(zhuǎn)速和變速都很大的情況，使用的工作原理是彈性預(yù)載荷裝置，這種裝置方法可以調(diào)整預(yù)緊力，溫度和速度對預(yù)載荷都有一定的影響。對于要求較高的電主軸，軸向的振動對電主軸的速度性能和使用壽命都會有影響，就適合使用電壓預(yù)緊。定壓預(yù)緊在工作中可以自動地設(shè)計預(yù)載荷的位置，這樣的操作方式適合高速旋轉(zhuǎn)性能，但是對系統(tǒng)剛度會產(chǎn)生不利影響。為了滿足在不同工況下預(yù)緊力的優(yōu)化，很多研究機構(gòu)已在研究開發(fā)通過壓電元件控制預(yù)緊力。

6 結(jié)論

在高速機床的工作原理中，不同的部件工作的原理不同，要根據(jù)實際情況采用正確的安裝方式和配對方式。預(yù)緊力的作用在機床工作中有著至關(guān)重要的地位，而預(yù)緊的方式也一樣重要，通過一系列的分析比較可知，軸向預(yù)緊更適合運用于機床的操作中。而在載荷的較量之下，DB方式比DF方式更適合用于高速機床主軸中。在未來的發(fā)展中，預(yù)緊力要通過更多的磨合方式來使技術(shù)更先進，促進高速機床更加完美地操作。

參考文獻：

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[2]宋麗，鄧允龍，李尚勇.高速機床主軸軸承預(yù)緊技術(shù)分析[J].軸承，2003（8）：11-14.

[3]陳宗農(nóng)，樂可錫，等.精密機床主軸軸承預(yù)緊力控制器結(jié)構(gòu)及控制性能研究[J].浙江大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2012（1）：8-16.

[4]楊慶東，王科社，等.基于材料熱特性的軸承預(yù)緊力自調(diào)節(jié)設(shè)計方法[J].機械工程學(xué)報，2011（3）：10.

[5]儲開宇.數(shù)控高速電主軸技術(shù)及其發(fā)展趨勢[J].機床與液壓，2007（10）：225-228.

（責(zé)任編輯：李凌峰）