主轴滚动轴承轴向预紧技术

邓军　刘新峰　岳远望

摘要：综述了角接触球轴承在电主轴中的应用现状。分析了电主轴预紧力与电主轴精度，速度和寿命的关系。综述了轴承定位预压技术和恒压预压技术。原则和特点：分析和评论液压装置、形状记忆合金弹簧、双金属垫片、压电装置、电磁装置和离心装置的压力预压技术和自动预压技术的原理和效果。最后，预测了电主轴预紧技术的未来发展趋势。

关键词：主轴滚动轴;轴向预紧;预紧力

中图分类号：TG659

文献标识码：A

文章编号：2095-6487（2019）03-0155-02

引言

电动主轴是通过将旋转轴放置在电动机的转子中而形成的完整的主轴单元。大多数电主轴旋转10000到400000r/min，广泛用于机械，汽车，航空航天，電子和其他领域。为满足低速高扭矩切削和高速高精度切削的要求，提出了现代数控加工技术。为了在低速下获得足够的刚度，必须对电主轴轴承施加大的预载荷。通过在高表面条件下施加小的预载力可以获得高表面光洁度。

1主轴滚动轴轴向预紧技术现状

由于其内部结构复杂，工艺稳定，电主轴维护方便，大多数高速加工中心的电主轴只能根据重载和介质的综合要求，对轴承施加适当的初始预紧力和轻预载张力”。正确的预加载消除了轴承间隙，提高了轴的刚度和加工精度。然而，随着电主轴温度的升高，热膨胀导致轴承的实际预载荷超过初始预载荷，导致轴承温度升高。滚动轴承的精度寿命成为加工中心主轴精度寿命的瓶颈。轴承预压技术是电主轴的关键技术之一。它与电主轴的精度，刚度和温升有关。因此，有必要系统地开展国内外主轴滚动轴承轴向预压技术的研究成果。回顾分析总结，掌握电主轴轴承预紧技术的未来发展趋势。

2轴承预紧力

滚动轴承电主轴通常包括主轴壳体，主轴（转子），后端浮动轴承，工具接口，润滑系统和定子冷却水夹克。高速轴承加工技术是电主轴许多关键技术中的第一项。实现电主轴的高速，高精度是关键，也决定了电主轴的寿命和承载能力。电主轴轴承包括角接触球轴承，圆锥滚子轴承，静压轴承和磁力轴承。磁悬浮轴承具有磨损低，能耗低，噪音低，寿命长，无润滑等优点，但价格昂贵，控制系统复杂，加热问题不易解决[2]。不适合大规模推广电主轴。静压轴承是一种多油楔形油膜轴承，结合了流体动力轴承和静压轴承的优点。解决了动压轴承高速运转时发热量大，供油系统复杂的问题，克服了动摩擦轴承启停过程中干摩擦的缺点。它具有良好的高速性能和宽广的速度范围。适用于大功率粗加工和超高速精加工。但是，动态和静态轴承必须单独设计和制造。标准化程度低，维护困难。目前，它很少用于电主轴单元。角接触球轴承通常具有15°，25°和40°的接触角。接触角越大，轴向承载能力越大，接触角越小，这对于高速旋转是有利的。SKF具有出色的速度性能，在超高速角接触球轴承中具有12°接触角。角接触球轴承的“小球”结构进一步提高了速度和刚度。由于采用了Si3N4陶瓷球，使用Si3N4陶瓷球代替钢球使角接触球轴承的速度和使用寿命延长了一倍。其质量仅为钢球的1/3，其硬度是钢球的两倍，弹性模量是钢球的1.5倍，其温升比钢球高35%～60%。钢球。随着陶瓷球制造技术和检测技术的提高，角接触球轴承的精密制造精度可达到P2或P4。因此，角接触陶瓷球轴承是主轴支撑的主要形式。当电主轴轴承高速旋转时，产生的热量很大，这需要辅助油气润滑系统和冷却系统继续工作。为了在一个方向，上平衡单列角接触球轴承的轴向载荷，必须成组使用角接触球轴承。

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。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数值，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，按照加工隔套长度。在实际安装过程中，严格控制轴承内孔与轴的配合，必须使轴承内圈在轴颈处的配合即不松，又能灵活的沿轴向移动。要求内外圈装配时，在轴颈及轴承座孔处一般以双手大拇指刚能推入配合最为适当。然后通过调整套简尺寸和外端轴承盖尺寸，保证实际装配尺寸，如果有需要，在尺寸调整过程中，可以加入固定尺寸的调整垫片，以保证轴承预紧力的数值与预测值相接近[8]。电主轴前轴承通常分为两组或三组，配置为背对背配置，面配置，串联配置和多组配置。电主轴的后轴承配有浮动支撑，以延长主轴端部的轴向长度。在切削负荷和预紧力的共同作用下，电主轴滚珠轴承在内圈和外圈产生滚动摩擦，滑动摩擦和陀螺摩擦，产生大量的热量。轴承的高速旋转还会从油中产生热量。轴承速度越高，预载荷和热量越大。为了消除轴承内外环间隙，依靠螺母进行轴向固定的轴承，可以通过螺母扭转轴向压紧轴承内环，到达轴承预紧的目标。这种办法是比较通用的办法，其构造简单，适用性强，这样预紧轴承的预紧力易于控制，缺陷是无定量数据。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，生产中通常借助定力矩扳手完成装配。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。在轴承的装配过程中，可进行预装配，获得预紧力所需要的拧紧力矩，然后进行装配。

3轴承设计改造

在高速轴承的设计和制造中，确定了高速轴承的结构尺寸和自组织材料。由于高速高温以及润滑不良，切削力大等复杂条件，轴承内部摩擦，热应力集中。它逐渐显示出外部特性，如磨损，破损，粘附，增加工作噪音，增加振动和缩短精度寿命。除了轴承的自加热之外，电动机的热量也部分地传递给轴承。带走的热量主要由冷却和润滑系统组成，少量的热量通过加热传递到空气中，因此它在50到70°C的范围内。实现电主轴的热平衡。轴承预紧后，滚动体与内圈和外圈之间的接触是弹性变形，接触面积增大，滚动体的参与力增加，从而提高了轴承刚度和旋转精度，从而提高轴系的临界性。速度。在计算轴承的轴向位移和轴向载荷的位移Fa载荷曲线时，轴承不会伸展5。当应用于轴承预载荷时，由轴向载荷引起的轴向位移是基于此，表明可以改善预载荷轴承刚度。对角接触轴承施加预压力，使轴承在负间隙内工作，有效提高角接触球轴承的刚性，减小其振动。预紧力与轴承的组合刚度之间存在非线性关系。轴承的轴向刚度小于单个轴承的轴向刚度，其径向刚度大于单个轴承的径向刚度。通过实验研究了主轴刚度与系统动态特性之间的关系。通过适当增加径向预载荷可以减小主轴的振幅。研磨5种金属材料，增加轴承的初始预紧力，可以显着减小磨削范围，提高磨削表面质量。然而，当预载荷超过某个值时，预载荷的效果不会显着增加。可以看出，适当的轴向预载可以提高主轴的固有频率和加工精度。预加载也会对电主轴产生负面影响，如摩擦和热量。随着轴向预载力增加，轴承滚子的内圈和外圈滚道上的载荷也增加，并且油膜中的压缩应力和剪切应力增加，导致摩擦转矩增加。轴承。这可能导致轴承过热。根据工况，合理控制轴承预紧力可以减少发热量，延长轴承的使用寿命，提高电主轴的可靠性。定压预紧利用螺旋弹簧装置或碟形弹簧装置使轴承得到合适的预紧。电主轴轴承的内圈和外圈分别有一个与主轴和轴承发生干涉的座，预紧模式的内圈保持套定位使轴承垫圈不能轴向移动，所以内圈轴承的轴承扩大主轴和轴承的外部圆圈是一个挤压的座椅。轻轻按下并收缩。当轴承内圈和轴高速旋转时，内圈在离心力的作用下径向膨胀，内圈与轴之间的干涉发生变化。上述温度和速度因素影响轴承的实际预载荷，这与工厂装配的初始预载荷完全不同。虽然定位预紧方法的内垫圈具有简单的结构和轴系统的强刚性，但是工作温度的增加导致轴和轴承座的尺寸增大，从而增加了预紧力。紧固力，进一步提高温度和预紧力。该部件缩短了轴承的精度寿命，通常用于低速重切削条件。两个轴承的外圈之间的弹簧提供恒定的压力预载荷6]。由于弹簀刚度远小于轴承刚度，因此轴承外圈的相对位置随速度和外部载荷而变化，但内圈的位置不能改变。

4结束语

外圈的接触载荷随着载荷的增加而增加，而内圈的接触载荷和工作温度基本保持不变。预压法的轴向刚度和径向刚度均大于恒压预压法。轴向刚度和径向刚度随着速度的增加而增加。随着加载速度的增加，恒压预载的轴向刚度增加。随着旋转速度减小，径向刚度随着旋转速度增加而增加。

参考文献

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[4]赵耿.超高速磨削电主轴角接触球轴承动力学问题研究[D].郑州：河南工业大学，2018.

[5]刘志峰，孙海明.电主轴滚动轴承轴向预紧技术综述[J].中国机械工程，2018（14）：77-89，129.

[6]傅嵩，林立，徐向阳，等.轴承预紧力作用下的行星齿轮动态载荷研究[J].现代机械，2019，209（1）：17-21.