高速主軸軸承預緊力技術研究

李頌華，馮明昊

（沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

高速主軸軸承預緊力技術研究

李頌華，馮明昊

（沈陽建筑大學 交通與機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

高性能電主軸單元集合了精密主軸軸承技術、高速電機驅動與控制技術、油氣潤滑與冷卻技術、高速主軸軸承預緊等相關技術，其中高速主軸軸承預緊技術是實現高性能電主軸的關鍵技術之一。論文著重闡述了高速主軸軸承預緊力研究的目的和意義、軸承預緊力的研究現狀以及本實驗室對軸承施加預緊力的研究。

電主軸；軸承預緊力；壓電陶瓷驅動器

0 引言

高速電主軸是高速機床的核心部件，其具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態特性好等優點，并能改善機床的動平衡，減少機床的振動和噪聲，在高檔數控機床中得到廣泛應用。高速主軸軸承預緊技術是實現高性能電主軸的關鍵技術之一，為此，有關主軸軸承預緊技術的研究對最大限度的發揮電主軸自身潛能具有重要意義。

本文著重闡述了高速主軸軸承預緊力研究的意義和目的、軸承預緊力研究現狀以及本實驗室對軸承施加預緊力的研究。

1 軸承預緊力研究的目的和意義

電主軸所使用的角接觸球軸承在實際工作時，并不是所有軸承滾珠都與軸承內外圈接觸，多數都會交替與軸承內外圈出現間隙，這樣不僅大大降低了主軸剛度、主軸的臨界轉速，增加了主軸-軸承系統的振動，而且嚴重影響軸承的使用壽命。如果對角接觸球軸承施加合適的預緊力使得多數甚至全部軸承滾珠與軸承內外圈接觸不僅會顯著提高主軸-軸承系統的剛度、臨界轉速和動態穩定性，同時也能提高電主軸的加工精度。為此，國內外相關研究人員進行了不斷深入研究。

洛陽軸研科技公司的郭向東等人研究了不同跨距時軸承預緊力與主軸固有頻率的關系[1]。研究結果表明，在同一主軸-軸承系統中，系統的固有頻率隨軸承預緊力的增大而增大；相同的預緊力下，系統的固有頻率隨軸承支承跨距的增大而增大。

東南大學的蔣書運等人研究了軸承預緊力與主軸剛度的影響關系[2]。 研究結果表明，主軸-軸承系統的剛度隨著軸承預緊力的增大而增大，并隨著軸承預緊力的增大，主軸-軸承剛度的增長速率逐漸降低。

軸承預緊力的施加對軸承的溫升有重要影響。東南大學的蔣書運等人研究了軸承預緊力與軸承溫升的影響[3]。研究結果表明，在同一轉速下，軸承溫度會隨著軸承預緊力的增大而升高；同一軸承預緊力下，軸承的溫度會隨著主軸轉速的提高而增大。

高速電主軸在低速粗加工時輸出大轉矩，此時主軸-軸承系統需要較大的預緊力，以增大主軸-軸承系統的剛度和抵抗主軸-軸承系統的受迫振動和自激振動；在進行精加工時，切削速度高，要求電主軸輸出大功率，此時軸承溫度隨著主軸轉速的提高而大幅攀升，這時在滿足主軸系統動力學性能的前提下，盡量降低軸承的預緊力。

2 軸承預緊力的應用現狀

目前高速主軸軸承的預緊主要為定位預緊（如圖1）和定壓預緊（如圖2）。所謂定位預緊就是利用軸承內外隔圈寬度的尺寸差來施加預緊力，這種預緊方式的特點是軸系剛度較強，結構簡單。但當軸系零件發熱而使隔圈長度變化時，預緊載荷的大小也會發生變化。定壓預緊就是用適當的彈簧力來作為預緊力。由于彈簧的剛度遠小于軸承的剛度，因此在主軸運轉中幾乎保持不變，但彈簧預緊的剛性相對較差。而預緊力的大小是兼顧低速大扭矩和高速大功率兩方面因素綜合確定的，傳統的定位預緊和定壓預緊已經遠不能滿足需求，所以需要研制能夠根據主軸不同工況而自動調節預緊力的裝置。

圖1 定位預緊Fig.1 Positioning preload

圖2 定壓預緊Fig.2 Constant pressure preload

2001 年浙江大學的蔣興奇等人依據防止角接觸球軸承滾珠發生陀螺滑動，確定了角接觸球軸承最小軸承載荷的計算方法[4]。河北工業大學的李為民和王海濤研究了在施加軸向預緊力時，角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的軸向和徑向剛度的計算方法[5]。洛陽軸承研究所的蔣蔚等人分別研究了依據摩擦力矩、軸向變形和隔圈方法來驗證軸承預緊力的大小[6]。2004年李紅光詳細總結了滾動軸承選擇軸承預緊的方式、原則，測試軸承預緊力大小的方法，并研究了估算施加軸承預緊力大小的方法[7]。2008年楊錦斌設計了專門用于主軸軸承游隙的測量工具[8]。

3 國內外有關軸承預緊力技術的研究及發展趨勢

最早是由德國GMN公司采用液壓預緊方法，如圖3所示。這種施加預緊的方法需要小排量較精準的液壓缸輸送泵供油，并要保證整個系統的密封性。

在20世紀90年代初，日本和美國人使用壓電陶瓷和記憶合金對軸承施加預緊力，但由于當時受制于壓電陶瓷和記憶合金相關技術的不成熟而未能獲得預期目標。

韓國國立昌原大學的 Young Kug Hwang和 Choon Man Lee在2009年和2010年分別研制了通過離心力軸承預緊裝置[9]和電磁力軸承預緊裝置[10]。

如圖4所示，離心力預緊是在主軸旋轉過程中，離心塊受自身離心力作用對V行塊進行擠壓，進而使V行塊對軸承內圈施加預緊力。離心力預緊的缺點：軸承的溫度隨著主軸轉速的提高而增大，這時需要減小預緊力的施加，然而離心力預緊方法卻增大預緊力，這使得軸承溫升極具升高；當電主軸進行粗加工輸出低速大扭矩，需要施加較大軸承預緊力時，離心力預緊方法卻減小施加的預緊力。

圖3 液壓預緊Fig.3 Hydraulic preload

圖4 離心力預緊Fig.4 Centrifugal force preload

如圖5所示，磁力預緊是電磁鐵對滑塊產生吸力，滑塊擠壓彈簧，彈簧對軸承施加預緊力。

1993 年浙江大學陳宗農等人研制了通過液性塑料對軸承施加預緊力的預緊裝置[11]，如圖6所示。此種預緊方法的特點是調節范圍寬、控制響應靈敏和精度高、結構簡單、制造簡便、成本低廉和通用性強，但是難以實現自動調節。

圖5 電磁力預緊Fig.5 Electromagnetic force preload

圖6 液性朔料預緊Fig.6 Liquid-plastic preload

2008 年北京信息科技大學的楊慶東等人根據材料的不同熱特性研制了主軸預緊力自調節方法[12]，如圖7所示。兩軸承間的隔套是由兩種熱膨脹率相差較大材料制作的長度不同的雙層隔套。在低溫時,長套筒1頂住軸承內圈，對軸承施加預緊載荷。隨著轉速增加，溫度升高，熱膨脹率較大的短套筒2伸長后超出長套筒1的長度，推動軸承內圈產生一定變位，使預緊力不會因發熱伸長而增大。

圖7 雙層套筒主軸結構Fig.7 Double sleeve spindle structure

圖8 液壓和彈簧復合預緊Fig.8 Complex hydraulic and spring preload

2006 年東南大學的蔣書運發明了預緊力可控智能化高速加工電主軸[13]，如圖8所示。它采用的是彈簧和液壓復合式預緊，當主軸轉速低于某一閾值時，液壓缸加載，液壓和彈簧共同施加預緊力；當主軸轉速高于某一閾值時，液壓缸卸載，只有彈簧施加預緊力。這種裝置只考慮了主軸轉速這單一因素。

2013 年上海大眾祥易機電技術有限公司徐小平等人發明了一種用于調節電主軸的預緊力的裝置[14]。徐小平等人發明的軸承預緊力裝置與蔣書運的發明原理相同，不同的是徐小平等人將蔣書運發明中的液壓缸換成了環形小液壓缸直接與軸承接觸，這樣就省去了蔣書運發明中的直線軸承。

根據國內外有關軸承預緊力多年的研究，尤其是現代加工制造的迫切需求，表明軸承預緊力的施加正向著實時智能調節方向發展。根據不同類型機床的實際需求，軸承預緊力的實時調節有多種方法和形式。

目前有關高速主軸軸承預緊力自調節技術的研究幾乎都是基于主軸速度或軸承溫升某單一因素，然而由于實際加工生產的復雜性以及軸承預緊力的施加對主軸-軸承系統剛度、臨界轉速、振動特性和軸承使用壽命都有重要影響，所以在確定尋找最佳預緊力影響因素時，要根據電主軸類型來選擇主要因素，進而綜合確定所施加預緊力的大小。

4 本實驗室預緊力的研究方案

圖9 為本實驗室軸承預緊力施加方案結構圖，本方案是基于實驗室已有的磨削電主軸進行改進而成的。電主軸前后端各配置一個軸承，前后軸承采用背對背配置。

壓電陶瓷是一種能夠將機械能和電能互相轉換的功能陶瓷材料。它既能在機械能的作用下產生電能，同時也能夠在電場的作用下發生膨脹產生機械能，基于這一原理制作出了壓電陶瓷微位移驅動器。2010年楊磊等人成功將其應用到滾珠絲杠副預緊力的施加上面[15]。經研究比較，本實驗室最終確定選用壓電陶瓷驅動器作為電主軸軸承預緊的施力部件。本文的壓電陶瓷是由昆山攀特電陶科技有限公司專門定制，采用哈爾濱芯明天科技有限公司的HVA控制器作為壓電陶瓷驅動電源。采用應變儀和應變片來間接檢測預緊力施加的大小。

確定施加軸承預緊力大小的相關參數有主軸轉速、主軸扭矩、主軸振動和軸承溫升，而磨削電主軸多數用于零件的精加工，其影響加工精度和主軸速度提高的主要因素是主軸振動和軸承溫升，所以本實驗在確定最佳預緊力時主要考慮主軸振動和軸承溫升兩個因素。

本實驗室使用振動檢測儀器和熱電偶分別檢測主軸前段振動和軸承溫升，基于主軸前段振動和軸承溫升來綜合確定所施加軸承預緊力的大小。

圖9 電主軸軸承預緊力施加結構圖Fig.9 Structure of bearing preload applied of the motoried spindle

5 結論

軸承預緊力對軸系固有頻率、軸系剛度和軸承溫升具有重要影響，同時軸承預緊力施加大小的合適與否嚴重影響電主軸的使用性能。現有軸承預緊力施加方法已經不能滿足需要，軸承預緊力的施加正向著實時智能調節方向發展。影響預緊力施加大小的因素很多，在選擇最佳預緊力時要根據電主軸加工類型來選擇主要因素，進而綜合確定所施加預緊力的大小。本實驗室基于磨削電主軸進行軸承預緊力實驗研究，選用壓電陶瓷驅動器作為軸承預緊力的施加部件，并根據磨削電主軸實際工作情況選擇主軸轉速和軸承溫升作為確定軸承最佳預緊力的主要考慮因素。

[1]郭向東，王艷霞.軸承預緊力—系統固有頻率及跨距關系的研究[J].軸承，2013，4.

[2]Shuyun Jiang,Shufei Zheng.A modeling approach for analysis and improvement of spindle-drawbar-bearing assembly dynamics[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture，2010，50.

[3]Shuyun Jiang,Hebing Mao.Investigation of variable optimum preload for a machine tool spindle.International Journal of Machine Tools&Manufacture[J].2010，50.

[4]蔣興奇，馬家駒，范谷耘.高速精密角接觸球軸承最小預緊載荷計算[J].軸承，2001，6.

[5]李為民，王海濤.軸向定位預緊軸承剛度計算[J].河北工業大學學報，2001，2.

[6]蔣蔚，梁波，等.配對軸承預緊力分析及測試方法[J].軸承，2001，4.

[7]李紅光.滾動軸承預緊的意義和預緊力的估算及調整[J].機械制造，2004，9.

[8]楊錦斌.量化軸承預緊力提高主軸品質[J].制造技術與機床，2008，9.

[9]Young Kug Hwang,Choon Man Lee.Development of automatic variable preload device for spindle bearing by using centrifugal force[J]. International Journal of Machine Tools&Manufacture.2009，49.

[10]Young Kug Hwang,Choon Man Lee.Development of a newly structured variable preload control device for a spindle rolling bearing by using an electromagnet[J].International Journal of Machine Tools &Manufacture，2010，50.

[11]陳宗農，樂可錫，等.精密機床主軸軸承預緊力控制器結構及控制性能研究[J].浙江大學學報（自然科學版），1995,1.

[12]楊慶東，王科社，等.基于材料熱特性的軸承預緊力自調節設計方法[J].機械工程學報，2008，9.

[13]蔣書運.預緊力可控智能化高速加工電主軸 [P].中國: ZL200610038219.6.2006,02,10.

[14]徐小平，周維綱，等.一種用于調節電主軸的預緊力的裝置[P].中國:ZL 201310039670.X.2013,01,31.

[15]楊磊，綦耀光，范晉偉，劉新福.基于壓電陶瓷材料數控機床精密預緊系統研究[J].航空精密制造技術，2010，4.

Research on the Preload Technology of the Rolling Bearing for High Speed Spindle

LI Song-Hua，FENG Ming-Hao
(School of Traffic and Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang Liaoning 110168,China)

High-performance motorized spindle has many important technologies,such as Precision spindle bearing technology,motor drive and control technology,lubrication and cooling technology,bearing preload technology,in which bearing preload is one of the key technologies.The preload technology of high speed spindle-bearing is one of the key factors for high-performance motorized spindle.In the article, the reasons and the present situation at home and abroad of the research on the preload in bearings is elaborated,the reseatch in our laboratory on the bearing preload force is also elaborated.

motor spindle；bearing-preload；piezoelectric actuators

TG68

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.063

1002－6673（2014）03－165－04

2014－02－20

國家自然科學基金（51375317）；遼寧省教育廳優秀人才項目（LJQ2011058）

李頌華（1977-），男，沈陽人，博士生，教授；研究方向：高速精密全陶瓷電主軸單元的設計與開發。 獲國家發明專利三項，實用專利三項。出版高水平學術著作一部，在國內外重要期刊上發表論文四十余篇，其中被SCI收錄五篇、EI收錄十三篇；馮明昊（1988-），男，衡水人，碩士研究生。研究方向：高速主軸軸承預緊力智能調控的關鍵技術。已發表論文四篇。