楊云輝

(云南開放大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

0 引言

在主軸系統(tǒng)中，施加較大的軸承預(yù)緊力能夠提升低速主軸的剛度，施加較小的軸承預(yù)緊力則可以減少低剛度主軸產(chǎn)生的熱效應(yīng).因此，選擇合理的預(yù)緊力對電主軸性能的發(fā)揮具有重要影響.設(shè)計合理的軸承預(yù)緊力可以使軸承處于理想的運行狀態(tài)，不僅能增加支承剛度，還能延長軸承的使用壽命.本文中對主軸軸承預(yù)緊技術(shù)進(jìn)行研究，為電主軸的發(fā)展提供參考.

1 軸承預(yù)緊

1.1 徑向預(yù)緊概述

1.1.1 徑向預(yù)緊概念及特點

徑向預(yù)緊是指通過調(diào)整軸承相對于軸頸的軸向位置，使內(nèi)圈受到相應(yīng)的膨脹量而形成的徑向負(fù)游隙.徑向預(yù)緊技術(shù)優(yōu)點有很多，包括預(yù)緊力大小可調(diào)節(jié)控制、配合精度較高，而且配合對預(yù)緊力的大小和溫度的升降影響也都比較小[1]；其缺點也有，例如對支承部位帶有錐度的軸承加工會比較困難、數(shù)據(jù)精度不能保證、部位錐面吻合度達(dá)不到要求等.

1.1.2 徑向預(yù)緊裝置

圖1為傳統(tǒng)機(jī)床主軸軸承徑向預(yù)緊的配置結(jié)構(gòu).在支承系統(tǒng)中，前支承的組成部分有雙列圓柱滾子軸承，主要承受徑向載荷，還有雙向推力角接觸球軸承，主要承受軸向載荷.采用的配件上，后支承與前支承大致相同，都采用了雙列圓柱滾子軸承.前后支承采用徑向預(yù)緊方式安裝，預(yù)緊力的大小由緊鎖螺母控制.

1.2 軸向預(yù)緊概述

1.2.1 軸向預(yù)緊概念及特點

軸向預(yù)緊是指軸承的內(nèi)圈受到合適的膨脹量產(chǎn)生的軸向負(fù)游隙.相較于徑向預(yù)緊，無論是軸承的精度，還是軸承的剛度，軸向預(yù)緊的優(yōu)勢都會更明顯.而且，在方向不定的情況下，軸向預(yù)緊技術(shù)使軸承對增加的載荷還有很好的適應(yīng)性.所以，在現(xiàn)代高速和高精度的機(jī)床主軸支承中，都采用角接觸球軸承軸向預(yù)緊.

1.2.2 軸向預(yù)緊裝置

圖2是軸向預(yù)緊的配置結(jié)構(gòu)[2]，前支承由3套角接觸球軸承按TBT方式配對，后支承則采用2套角接觸球軸承按DB方式配對，安裝方式采用軸向預(yù)緊.軸向預(yù)緊的預(yù)緊量和配對方式直接由生產(chǎn)廠家設(shè)計并配對好，支承軸承精度比徑向軸承高.

2 載荷與預(yù)載荷

2.1 載荷概念及特點

軸承載荷是指影響軸承結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形外力等相關(guān)因素，主要包括橫向載荷和徑向載荷兩類.軸承載荷具有脈動循環(huán)、復(fù)制周期脈動的特點.載荷直接影響著主軸的穩(wěn)定性.在特定機(jī)床中，由于轉(zhuǎn)速恒定，所以其最佳預(yù)緊力主要取決于軸承載荷.在實際應(yīng)用中，由于軸承使用條件差異較大，因此軸承材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等因素會對主軸載荷有不同影響.

2.2 預(yù)載荷概念及特點

預(yù)載荷即施加于軸承上的軸向載荷，包括剛性預(yù)載荷及彈性預(yù)載荷兩類.剛性預(yù)載荷的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隔離開，延長軸承作用點之間的距離，以提高主軸剛度.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，常常通過采用螺旋彈簧等彈性元件實現(xiàn)軸承彈性加載，以增加軸承剛度.

軸承預(yù)載荷能有效降低運行噪音，補(bǔ)償軸承配置運行過程中增加的游隙，降低軸在載荷下的彎曲程度，具有較精確的軸引導(dǎo)功能.此外，利用預(yù)載荷能夠提升軸承運行的可靠性，因為預(yù)載荷軸承引起的彈性變形比無預(yù)載荷軸承產(chǎn)生的彈性變形更小，能延長軸承使用年限.

3 預(yù)緊力與載荷關(guān)系

軸承在載荷增加時，內(nèi)圈會形成一定的間隙，而再施加載荷后，滾動體會與內(nèi)外圈接觸發(fā)生形變，出現(xiàn)高度差(如圖3所示)，預(yù)緊力可以消除軸承間的高度差，在一定程度上提高主軸的精度和剛度，降低主軸的振動.軸承工作狀態(tài)受軸和載荷影響，高速工作時，離心力也是一大影響因素[3].圖4是配對機(jī)床主軸軸承載荷分布示意圖.載荷的力量使軸承的內(nèi)外圈和部件鋼球接觸點發(fā)生形變，致使內(nèi)外圈間的徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊發(fā)生相對偏移，且徑向位移比軸向位移要大些.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利用部件里面的鋼球所受的作用力來平衡這兩個配件的工作.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，即圓周上的鋼球全都受到載荷的作用，雖然每個鋼球受到的載荷會有所不同，但所有鋼球所產(chǎn)生的反作用載荷所形成的合力要與外力相平衡.同時，軸承內(nèi)外圈之間的相對軸向位移會增加，而徑向位移則會減小.在實際操作中，主軸的旋轉(zhuǎn)精度明顯比圖4的高.值得關(guān)注的是，軸向外載荷的力量可能會造成相匹配的軸承沒有了真正的用處，卸載無可避免，為避免該種情況發(fā)生，可考慮用定壓預(yù)緊.

4 配對方式對預(yù)載荷的影響

當(dāng)軸承承受徑向載荷時，不同的配對方式對軸承徑向的剛性影響也會有所不同.機(jī)床開始工作后，當(dāng)整個系統(tǒng)達(dá)到一定的熱平衡時，軸的溫度會比軸承座的溫度要高，此時軸承內(nèi)外圈因溫度差距導(dǎo)致熱膨脹量也不同，內(nèi)圈的熱膨脹量比外圈的要大些.如果沒有考慮到膨脹差異所導(dǎo)致的新增的軸向力，而直接使用DF方式配對，那么就會出現(xiàn)軸承工作時直接卡死的情況.所以，為了安全起見，高速主軸系統(tǒng)運轉(zhuǎn)時盡量不要用DF方式配對.選用DB配對方式，不僅可以防止這種情況的出現(xiàn)，還可以保證機(jī)床的正常工作.DB配對方式可以減小預(yù)緊力，從而使載荷的力量減小，且與內(nèi)外圈溫差引起的附加載荷方向相反[4].如果安裝和設(shè)計合理，機(jī)床工作產(chǎn)生的載荷就會相互抵消掉，預(yù)緊力就可以完全地被保留下來.綜上所述，DB配對方式比DF配對方式更加適合用于高速機(jī)床的主軸運轉(zhuǎn)中.

5 預(yù)緊措施

5.1 定位預(yù)緊

定位預(yù)緊適用于高速機(jī)床轉(zhuǎn)速不高和變速范圍較小的情況，其工作原理是利用剛性的預(yù)載荷來增加預(yù)緊力.控制預(yù)緊力，定位預(yù)緊非常有效，而且操作方便；但也存在缺點，當(dāng)溫度升高時，內(nèi)部的軸系零件溫度也會跟著升高，在電主軸完成裝配后預(yù)載荷大小將無法調(diào)整，軸承會出現(xiàn)一定的磨損，需要重新調(diào)整控制系統(tǒng)，給用戶帶來很多不便.

5.2 定壓預(yù)緊

定壓預(yù)緊適用于工作要求較高、且轉(zhuǎn)速和變速都很大的情況，其工作原理是通過彈性預(yù)載荷裝置調(diào)整預(yù)緊力.對于精度較高的電主軸，軸向振動對其速度性能和使用壽命都會有影響，適合采用定壓預(yù)緊，它可以自動設(shè)計預(yù)載荷的位置.這種操作方式適合高速旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，但是會降低系統(tǒng)的剛度.

6 結(jié)論

高速機(jī)床的各部件工作原理不同，要根據(jù)實際情況采用正確的安裝方式和配對方式.預(yù)緊力對于機(jī)床正常運轉(zhuǎn)有著至關(guān)重要的作用，因此要重視預(yù)緊方式的合理選擇.通過一系列的分析比較可知，軸向預(yù)緊更適合運用于機(jī)床主軸中.通過對不同配對方式的比較可知，DB方式比DF方式更適合用于高速機(jī)床主軸中.在未來的發(fā)展中，要重視優(yōu)化不同工況下的預(yù)緊技術(shù)，以促進(jìn)高速機(jī)床更加高效的運轉(zhuǎn).