淺談數控機床主軸軸承預緊力的應用

謝堯

摘要：隨著加工和裝備制造業的大發展，數控機床在性能方面也有利顯著提高。在這其中，數控機床的主軸的穩定性對加工質量有著重要作用。因此為提高主軸的剛度和頻率，在運行前對數控機床主軸軸承預緊就顯得尤為必要了。本文就是在這一理論背景下，探討數控機床軸承預緊力對主軸剛度和固有頻率的影響，以及其在實際應用中的常見調試方法，為今后主軸系統的進一步優化提高參考。

關鍵詞：數控機床；主軸軸承；預緊力

1. 數控機床主軸軸承預緊力工作原理

由于目前市場對加工件的精度要求和加工效率的要求越來越高，相應的，對數控機床的機械設計要求也越來越高。主軸系統作為數控機床的關鍵部分，其性能和運行效率對工件加工的質量有直接的影響。保證主軸為承的穩定性，通暢我們會對軸承實施預緊。軸承預緊是為了提高運轉中的轉動精度和支承剛度，減小振動和噪聲，并且減輕由于慣性和轉矩等因素引起的軸承相對于內外滾道的相對滑動。那么到底什么是預緊力呢？簡單講，預緊力是利用數控機床裝配過程中施加的外力給予軸承適當的預緊負荷。預緊力太小會使軸承間隙過大，進而導致支承剛度和旋轉精度降低，引起振動和噪聲。相反，如果預緊力太大會增加滾動體與內外套圈滾道的摩擦，是的運轉時溫度升高過快，這樣不僅會傳動效率下降，還會進一步損害軸承壽命。所以，只有施加適度的預緊力才可以達到消除軸間隙，提高軸系回轉精度，且不會引起摩擦過熱情況。在具體應用過程中，如果預緊后沒有達到理想的剛度要求，采用逐步增加預緊量的方法對主軸剛度進行提高調試是常用維護方法。

2. 數控機床主軸軸承預緊力的應用

首先我們需要明確，主軸前端球軸承對彎曲剛度影響較大，后端滾子軸承對其影響較小。多樣，對前端軸承進行適當的預緊是數控機床主軸承調試工作的重中之重。另外，前端軸承支撐剛度對固有頻率也會施加一定影響，同樣后端軸承剛度對主軸影響不大。最后再次提醒注意的是，預緊過度不僅無法提高主軸剛度，還會對主軸系統會造成損害，影響其使用壽命。上文我們重點論述了預緊力在數控機床主軸承運行過程中起到的重要作用，下面我們將對數控機床主軸軸承預緊力的具體應用，即在實際操作過程中采用何種方式對預緊力進行確認與調整，進行相關介紹。

2.1經驗檢測法

經驗檢測法是傳統數控機床調試方法，即憑借技工在實踐中對力矩的感覺能力來判斷軸承的預緊情況。實際操作過程中，用手動的方法旋轉主軸，或者將軸系放入低速傳動測試系統中邊測邊調試。技工通過所受阻力矩大小來感知主軸轉動靈活性是否合適。這種方法看似簡單粗糙，但在實際工作中被普遍采用且有一定的使用效果，筆者認為可以作為初級檢測辦法使用。當然需要承認的是，經驗檢測法勞動強度比較大，且對技工的實際經驗要求較高，不適合對精度要求很高的生產線。

2.2測旋轉力矩法

在實施數控機床裝配過程中，首先將軸承與旋轉軸固定，然后用彈簧秤或簡單測力儀沿軸切線方向施加拉力，使之內圈及軸共轉，當讀數處于穩定狀態時，即為最終測量結果。最后，將測量數值乘以切線到軸心距離值可得到主軸上軸承預緊力矩值。

由于使用的角接觸球軸承均有摩擦力矩要求，在軸承的規格和潤滑方式一定時，軸承的摩擦力矩與軸向載荷有著一定的對應關系。所以，為提高測量精度，確定預緊力可以參考軸承的摩擦力矩。這樣一來，通過對承受預緊載荷的成對軸承的摩擦力矩進行計算，將計算結果與實際摩擦力矩值測定值進行對照，以判斷軸承內部預緊力是否符合要求。

2.3預先測預緊力法

在軸承安裝之前，采用與實際安裝相似的測試系統，對軸承進行預安裝，將軸承安裝在機構中，施加經過換算所需要的軸向預緊力F，測量軸承實際距離的d。測量數值即為軸承施加預緊力后，裝配中實際所需要的尺寸數值，這里面包含了軸承實際距離和軸承施加預緊力后的游隙調整尺寸，按照d加工隔套長度。

2.4軸承變形量的測量控制法

變形量的測量控制法是指預先測量軸承摩擦力矩和軸向載荷的對應關系，然后將軸承放置在圓座體上，通過彈簧壓力控制在軸承內圈上施加一個與預緊力大小相等的負荷，軸承受力后，內外圈之間出現尺寸差即△K1和△K2，最后用杠桿千分表對△K1和△K2進行測算。如果施加的預緊載荷不足，可以加墊圈進行調整，使得軸承的游隙尺寸固定，從而保證預緊力在可控范圍內。

2.5定力矩扳手調試法

定力矩扳手最主要特征就是：可以設定扭矩，并且扭矩可調。定力矩扳手既可初緊又可終緊，它的使用是先調節扭矩，再緊固螺栓。在軸承內外環間隙的調試過程中，可以采用螺母扭轉軸向壓緊軸承內環進而到達軸承預緊的目的，這就是定力矩扳手調試法。此方法適用性較強，預緊力的調試易于把控，但缺點是無定量數據，精讀無法保證。但是經過測量最終的裝配軸向尺寸，加入適當的墊片，就可調整預緊力的大小。為了提高生產效率和裝配精度，在軸承的裝配過程中，可先預裝配，當獲得預緊力所需擰緊力矩后再實施最終裝配。

2.6傳感器法

在要求較高的裝配過程中，我們可以借助傳感器實現測控。傳感器技術的實際應用已取得跨越式的發展，這使得精度較高或者手工測量較復雜的工序變得越來越簡單高效。同樣，在數控機床主軸軸承預緊力過程中，轉矩傳感器可以很好地解決測量軸承內外環間隙問題。

3.結語

隨著裝備制造業的不斷發展，數控機床的穩定性也在逐步提高，與之對應的軸承系統在這其中關鍵作用。當然，在對數控機床進行裝配合維護過程中，對預緊力的調試也是重中之重。軸承預緊即是為了提高運轉中的轉動精度和支承剛度，減小振動和噪聲，并且減輕由于慣性和轉矩等因素引起的軸承相對于內外滾道的相對滑動。本文在這一背景下，探討數控機床軸承預緊力對主軸剛度和固有頻率的影響，以及其在實際應用中的常見調試方法，為今后主軸系統的進一步優化提高參考。

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