浅谈数控机床主轴轴承预紧力的应用

谢尧

摘要：随着加工和装备制造业的大发展，数控机床在性能方面也有利显著提高。在这其中，数控机床的主轴的稳定性对加工质量有着重要作用。因此为提高主轴的刚度和频率，在运行前对数控机床主轴轴承预紧就显得尤为必要了。本文就是在这一理论背景下，探讨数控机床轴承预紧力对主轴刚度和固有频率的影响，以及其在实际应用中的常见调试方法，为今后主轴系统的进一步优化提高参考。

关键词：数控机床；主轴轴承；预紧力

1. 数控机床主轴轴承预紧力工作原理

由于目前市场对加工件的精度要求和加工效率的要求越来越高，相应的，对数控机床的机械设计要求也越来越高。主轴系统作为数控机床的关键部分，其性能和运行效率对工件加工的质量有直接的影响。保证主轴为承的稳定性，通畅我们会对轴承实施预紧。轴承预紧是为了提高运转中的转动精度和支承刚度，减小振动和噪声，并且减轻由于惯性和转矩等因素引起的轴承相对于内外滚道的相对滑动。那么到底什么是预紧力呢？简单讲，预紧力是利用数控机床装配过程中施加的外力给予轴承适当的预紧负荷。预紧力太小会使轴承间隙过大，进而导致支承刚度和旋转精度降低，引起振动和噪声。相反，如果预紧力太大会增加滚动体与内外套圈滚道的摩擦，是的运转时温度升高过快，这样不仅会传动效率下降，还会进一步损害轴承寿命。所以，只有施加适度的预紧力才可以达到消除轴间隙，提高轴系回转精度，且不会引起摩擦过热情况。在具体应用过程中，如果预紧后没有达到理想的刚度要求，采用逐步增加预紧量的方法对主轴刚度进行提高调试是常用维护方法。

2. 数控机床主轴轴承预紧力的应用

首先我们需要明确，主轴前端球轴承对弯曲刚度影响较大，后端滚子轴承对其影响较小。多样，对前端轴承进行适当的预紧是数控机床主轴承调试工作的重中之重。另外，前端轴承支撑刚度对固有频率也会施加一定影响，同样后端轴承刚度对主轴影响不大。最后再次提醒注意的是，预紧过度不仅无法提高主轴刚度，还会对主轴系统会造成损害，影响其使用寿命。上文我们重点论述了预紧力在数控机床主轴承运行过程中起到的重要作用，下面我们将对数控机床主轴轴承预紧力的具体应用，即在实际操作过程中采用何种方式对预紧力进行确认与调整，进行相关介绍。

2.1经验检测法

经验检测法是传统数控机床调试方法，即凭借技工在实践中对力矩的感觉能力来判断轴承的预紧情况。实际操作过程中，用手动的方法旋转主轴，或者将轴系放入低速传动测试系统中边测边调试。技工通过所受阻力矩大小来感知主轴转动灵活性是否合适。这种方法看似简单粗糙，但在实际工作中被普遍采用且有一定的使用效果，笔者认为可以作为初级检测办法使用。当然需要承认的是，经验检测法劳动强度比较大，且对技工的实际经验要求较高，不适合对精度要求很高的生产线。

2.2测旋转力矩法

在实施数控机床装配过程中，首先将轴承与旋转轴固定，然后用弹簧秤或简单测力仪沿轴切线方向施加拉力，使之内圈及轴共转，当读数处于稳定状态时，即为最终测量结果。最后，将测量数值乘以切线到轴心距离值可得到主轴上轴承预紧力矩值。

由于使用的角接触球轴承均有摩擦力矩要求，在轴承的规格和润滑方式一定时，轴承的摩擦力矩与轴向载荷有着一定的对应关系。所以，为提高测量精度，确定预紧力可以参考轴承的摩擦力矩。这样一来，通过对承受预紧载荷的成对轴承的摩擦力矩进行计算，将计算结果与实际摩擦力矩值测定值进行对照，以判断轴承内部预紧力是否符合要求。

2.3预先测预紧力法

在轴承安装之前，采用与实际安装相似的测试系统，对轴承进行预安装，将轴承安装在机构中，施加经过换算所需要的轴向预紧力F，测量轴承实际距离的d。测量数值即为轴承施加预紧力后，装配中实际所需要的尺寸數值，这里面包含了轴承实际距离和轴承施加预紧力后的游隙调整尺寸，按照d加工隔套长度。

2.4轴承变形量的测量控制法

变形量的测量控制法是指预先测量轴承摩擦力矩和轴向载荷的对应关系，然后将轴承放置在圆座体上，通过弹簧压力控制在轴承内圈上施加一个与预紧力大小相等的负荷，轴承受力后，内外圈之间出现尺寸差即△K1和△K2，最后用杠杆千分表对△K1和△K2进行测算。如果施加的预紧载荷不足，可以加垫圈进行调整，使得轴承的游隙尺寸固定，从而保证预紧力在可控范围内。

2.5定力矩扳手调试法

定力矩扳手最主要特征就是：可以设定扭矩，并且扭矩可调。定力矩扳手既可初紧又可终紧，它的使用是先调节扭矩，再紧固螺栓。在轴承内外环间隙的调试过程中，可以采用螺母扭转轴向压紧轴承内环进而到达轴承预紧的目的，这就是定力矩扳手调试法。此方法适用性较强，预紧力的调试易于把控，但缺点是无定量数据，精读无法保证。但是经过测量最终的装配轴向尺寸，加入适当的垫片，就可调整预紧力的大小。为了提高生产效率和装配精度，在轴承的装配过程中，可先预装配，当获得预紧力所需拧紧力矩后再实施最终装配。

2.6传感器法

在要求较高的装配过程中，我们可以借助传感器实现测控。传感器技术的实际应用已取得跨越式的发展，这使得精度较高或者手工测量较复杂的工序变得越来越简单高效。同样，在数控机床主轴轴承预紧力过程中，转矩传感器可以很好地解决测量轴承内外环间隙问题。

3.结语

随着装备制造业的不断发展，数控机床的稳定性也在逐步提高，与之对应的轴承系统在这其中关键作用。当然，在对数控机床进行装配合维护过程中，对预紧力的调试也是重中之重。轴承预紧即是为了提高运转中的转动精度和支承刚度，减小振动和噪声，并且减轻由于惯性和转矩等因素引起的轴承相对于内外滚道的相对滑动。本文在这一背景下，探讨数控机床轴承预紧力对主轴刚度和固有频率的影响，以及其在实际应用中的常见调试方法，为今后主轴系统的进一步优化提高参考。

参考文献：

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