主轴轴承预紧技术研究

杨云辉

(云南开放大学 机电工程学院，云南 昆明 650500)

0 引言

在主轴系统中，施加较大的轴承预紧力能够提升低速主轴的刚度，施加较小的轴承预紧力则可以减少低刚度主轴产生的热效应.因此，选择合理的预紧力对电主轴性能的发挥具有重要影响.设计合理的轴承预紧力可以使轴承处于理想的运行状态，不仅能增加支承刚度，还能延长轴承的使用寿命.本文中对主轴轴承预紧技术进行研究，为电主轴的发展提供参考.

1 轴承预紧

1.1 径向预紧概述

1.1.1 径向预紧概念及特点

径向预紧是指通过调整轴承相对于轴颈的轴向位置，使内圈受到相应的膨胀量而形成的径向负游隙.径向预紧技术优点有很多，包括预紧力大小可调节控制、配合精度较高，而且配合对预紧力的大小和温度的升降影响也都比较小[1]；其缺点也有，例如对支承部位带有锥度的轴承加工会比较困难、数据精度不能保证、部位锥面吻合度达不到要求等.

1.1.2 径向预紧装置

图1为传统机床主轴轴承径向预紧的配置结构.在支承系统中，前支承的组成部分有双列圆柱滚子轴承，主要承受径向载荷，还有双向推力角接触球轴承，主要承受轴向载荷.采用的配件上，后支承与前支承大致相同，都采用了双列圆柱滚子轴承.前后支承采用径向预紧方式安装，预紧力的大小由紧锁螺母控制.

1.2 轴向预紧概述

1.2.1 轴向预紧概念及特点

轴向预紧是指轴承的内圈受到合适的膨胀量产生的轴向负游隙.相较于径向预紧，无论是轴承的精度，还是轴承的刚度，轴向预紧的优势都会更明显.而且，在方向不定的情况下，轴向预紧技术使轴承对增加的载荷还有很好的适应性.所以，在现代高速和高精度的机床主轴支承中，都采用角接触球轴承轴向预紧.

1.2.2 轴向预紧装置

图2是轴向预紧的配置结构[2]，前支承由3套角接触球轴承按TBT方式配对，后支承则采用2套角接触球轴承按DB方式配对，安装方式采用轴向预紧.轴向预紧的预紧量和配对方式直接由生产厂家设计并配对好，支承轴承精度比径向轴承高.

2 载荷与预载荷

2.1 载荷概念及特点

轴承载荷是指影响轴承结构的内力及变形外力等相关因素，主要包括横向载荷和径向载荷两类.轴承载荷具有脉动循环、复制周期脉动的特点.载荷直接影响着主轴的稳定性.在特定机床中，由于转速恒定，所以其最佳预紧力主要取决于轴承载荷.在实际应用中，由于轴承使用条件差异较大，因此轴承材质、结构等因素会对主轴载荷有不同影响.

2.2 预载荷概念及特点

预载荷即施加于轴承上的轴向载荷，包括刚性预载荷及弹性预载荷两类.刚性预载荷的大小与轴向外载荷有关，其作用原理是利用隔圈将承载轴承隔离开，延长轴承作用点之间的距离，以提高主轴刚度.弹性预载荷的大小不受轴向外载荷影响，通常视为恒定值，常常通过采用螺旋弹簧等弹性元件实现轴承弹性加载，以增加轴承刚度.

轴承预载荷能有效降低运行噪音，补偿轴承配置运行过程中增加的游隙，降低轴在载荷下的弯曲程度，具有较精确的轴引导功能.此外，利用预载荷能够提升轴承运行的可靠性，因为预载荷轴承引起的弹性变形比无预载荷轴承产生的弹性变形更小，能延长轴承使用年限.

3 预紧力与载荷关系

轴承在载荷增加时，内圈会形成一定的间隙，而再施加载荷后，滚动体会与内外圈接触发生形变，出现高度差(如图3所示)，预紧力可以消除轴承间的高度差，在一定程度上提高主轴的精度和刚度，降低主轴的振动.轴承工作状态受轴和载荷影响，高速工作时，离心力也是一大影响因素[3].图4是配对机床主轴轴承载荷分布示意图.载荷的力量使轴承的内外圈和部件钢球接触点发生形变，致使内外圈间的径向预紧和轴向预紧发生相对偏移，且径向位移比轴向位移要大些.当径向预紧载荷大于轴向预紧载荷时，外界的径向载荷和轴向载荷就需要利用部件里面的钢球所受的作用力来平衡这两个配件的工作.当轴向预紧位移大于径向预紧位移时，载荷的力量将会分布在整个圆周上面，即圆周上的钢球全都受到载荷的作用，虽然每个钢球受到的载荷会有所不同，但所有钢球所产生的反作用载荷所形成的合力要与外力相平衡.同时，轴承内外圈之间的相对轴向位移会增加，而径向位移则会减小.在实际操作中，主轴的旋转精度明显比图4的高.值得关注的是，轴向外载荷的力量可能会造成相匹配的轴承没有了真正的用处，卸载无可避免，为避免该种情况发生，可考虑用定压预紧.

4 配对方式对预载荷的影响

当轴承承受径向载荷时，不同的配对方式对轴承径向的刚性影响也会有所不同.机床开始工作后，当整个系统达到一定的热平衡时，轴的温度会比轴承座的温度要高，此时轴承内外圈因温度差距导致热膨胀量也不同，内圈的热膨胀量比外圈的要大些.如果没有考虑到膨胀差异所导致的新增的轴向力，而直接使用DF方式配对，那么就会出现轴承工作时直接卡死的情况.所以，为了安全起见，高速主轴系统运转时尽量不要用DF方式配对.选用DB配对方式，不仅可以防止这种情况的出现，还可以保证机床的正常工作.DB配对方式可以减小预紧力，从而使载荷的力量减小，且与内外圈温差引起的附加载荷方向相反[4].如果安装和设计合理，机床工作产生的载荷就会相互抵消掉，预紧力就可以完全地被保留下来.综上所述，DB配对方式比DF配对方式更加适合用于高速机床的主轴运转中.

5 预紧措施

5.1 定位预紧

定位预紧适用于高速机床转速不高和变速范围较小的情况，其工作原理是利用刚性的预载荷来增加预紧力.控制预紧力，定位预紧非常有效，而且操作方便；但也存在缺点，当温度升高时，内部的轴系零件温度也会跟着升高，在电主轴完成装配后预载荷大小将无法调整，轴承会出现一定的磨损，需要重新调整控制系统，给用户带来很多不便.

5.2 定压预紧

定压预紧适用于工作要求较高、且转速和变速都很大的情况，其工作原理是通过弹性预载荷装置调整预紧力.对于精度较高的电主轴，轴向振动对其速度性能和使用寿命都会有影响，适合采用定压预紧，它可以自动设计预载荷的位置.这种操作方式适合高速旋转系统，但是会降低系统的刚度.

6 结论

高速机床的各部件工作原理不同，要根据实际情况采用正确的安装方式和配对方式.预紧力对于机床正常运转有着至关重要的作用，因此要重视预紧方式的合理选择.通过一系列的分析比较可知，轴向预紧更适合运用于机床主轴中.通过对不同配对方式的比较可知，DB方式比DF方式更适合用于高速机床主轴中.在未来的发展中，要重视优化不同工况下的预紧技术，以促进高速机床更加高效的运转.