主軸軸承預緊技術研究

楊云輝

(云南開放大學 機電工程學院，云南 昆明 650500)

0 引言

在主軸系統中，施加較大的軸承預緊力能夠提升低速主軸的剛度，施加較小的軸承預緊力則可以減少低剛度主軸產生的熱效應.因此，選擇合理的預緊力對電主軸性能的發揮具有重要影響.設計合理的軸承預緊力可以使軸承處于理想的運行狀態，不僅能增加支承剛度，還能延長軸承的使用壽命.本文中對主軸軸承預緊技術進行研究，為電主軸的發展提供參考.

1 軸承預緊

1.1 徑向預緊概述

1.1.1 徑向預緊概念及特點

徑向預緊是指通過調整軸承相對于軸頸的軸向位置，使內圈受到相應的膨脹量而形成的徑向負游隙.徑向預緊技術優點有很多，包括預緊力大小可調節控制、配合精度較高，而且配合對預緊力的大小和溫度的升降影響也都比較小[1]；其缺點也有，例如對支承部位帶有錐度的軸承加工會比較困難、數據精度不能保證、部位錐面吻合度達不到要求等.

1.1.2 徑向預緊裝置

圖1為傳統機床主軸軸承徑向預緊的配置結構.在支承系統中，前支承的組成部分有雙列圓柱滾子軸承，主要承受徑向載荷，還有雙向推力角接觸球軸承，主要承受軸向載荷.采用的配件上，后支承與前支承大致相同，都采用了雙列圓柱滾子軸承.前后支承采用徑向預緊方式安裝，預緊力的大小由緊鎖螺母控制.

1.2 軸向預緊概述

1.2.1 軸向預緊概念及特點

軸向預緊是指軸承的內圈受到合適的膨脹量產生的軸向負游隙.相較于徑向預緊，無論是軸承的精度，還是軸承的剛度，軸向預緊的優勢都會更明顯.而且，在方向不定的情況下，軸向預緊技術使軸承對增加的載荷還有很好的適應性.所以，在現代高速和高精度的機床主軸支承中，都采用角接觸球軸承軸向預緊.

1.2.2 軸向預緊裝置

圖2是軸向預緊的配置結構[2]，前支承由3套角接觸球軸承按TBT方式配對，后支承則采用2套角接觸球軸承按DB方式配對，安裝方式采用軸向預緊.軸向預緊的預緊量和配對方式直接由生產廠家設計并配對好，支承軸承精度比徑向軸承高.

2 載荷與預載荷

2.1 載荷概念及特點

軸承載荷是指影響軸承結構的內力及變形外力等相關因素，主要包括橫向載荷和徑向載荷兩類.軸承載荷具有脈動循環、復制周期脈動的特點.載荷直接影響著主軸的穩定性.在特定機床中，由于轉速恒定，所以其最佳預緊力主要取決于軸承載荷.在實際應用中，由于軸承使用條件差異較大，因此軸承材質、結構等因素會對主軸載荷有不同影響.

2.2 預載荷概念及特點

預載荷即施加于軸承上的軸向載荷，包括剛性預載荷及彈性預載荷兩類.剛性預載荷的大小與軸向外載荷有關，其作用原理是利用隔圈將承載軸承隔離開，延長軸承作用點之間的距離，以提高主軸剛度.彈性預載荷的大小不受軸向外載荷影響，通常視為恒定值，常常通過采用螺旋彈簧等彈性元件實現軸承彈性加載，以增加軸承剛度.

軸承預載荷能有效降低運行噪音，補償軸承配置運行過程中增加的游隙，降低軸在載荷下的彎曲程度，具有較精確的軸引導功能.此外，利用預載荷能夠提升軸承運行的可靠性，因為預載荷軸承引起的彈性變形比無預載荷軸承產生的彈性變形更小，能延長軸承使用年限.

3 預緊力與載荷關系

軸承在載荷增加時，內圈會形成一定的間隙，而再施加載荷后，滾動體會與內外圈接觸發生形變，出現高度差(如圖3所示)，預緊力可以消除軸承間的高度差，在一定程度上提高主軸的精度和剛度，降低主軸的振動.軸承工作狀態受軸和載荷影響，高速工作時，離心力也是一大影響因素[3].圖4是配對機床主軸軸承載荷分布示意圖.載荷的力量使軸承的內外圈和部件鋼球接觸點發生形變，致使內外圈間的徑向預緊和軸向預緊發生相對偏移，且徑向位移比軸向位移要大些.當徑向預緊載荷大于軸向預緊載荷時，外界的徑向載荷和軸向載荷就需要利用部件里面的鋼球所受的作用力來平衡這兩個配件的工作.當軸向預緊位移大于徑向預緊位移時，載荷的力量將會分布在整個圓周上面，即圓周上的鋼球全都受到載荷的作用，雖然每個鋼球受到的載荷會有所不同，但所有鋼球所產生的反作用載荷所形成的合力要與外力相平衡.同時，軸承內外圈之間的相對軸向位移會增加，而徑向位移則會減小.在實際操作中，主軸的旋轉精度明顯比圖4的高.值得關注的是，軸向外載荷的力量可能會造成相匹配的軸承沒有了真正的用處，卸載無可避免，為避免該種情況發生，可考慮用定壓預緊.

4 配對方式對預載荷的影響

當軸承承受徑向載荷時，不同的配對方式對軸承徑向的剛性影響也會有所不同.機床開始工作后，當整個系統達到一定的熱平衡時，軸的溫度會比軸承座的溫度要高，此時軸承內外圈因溫度差距導致熱膨脹量也不同，內圈的熱膨脹量比外圈的要大些.如果沒有考慮到膨脹差異所導致的新增的軸向力，而直接使用DF方式配對，那么就會出現軸承工作時直接卡死的情況.所以，為了安全起見，高速主軸系統運轉時盡量不要用DF方式配對.選用DB配對方式，不僅可以防止這種情況的出現，還可以保證機床的正常工作.DB配對方式可以減小預緊力，從而使載荷的力量減小，且與內外圈溫差引起的附加載荷方向相反[4].如果安裝和設計合理，機床工作產生的載荷就會相互抵消掉，預緊力就可以完全地被保留下來.綜上所述，DB配對方式比DF配對方式更加適合用于高速機床的主軸運轉中.

5 預緊措施

5.1 定位預緊

定位預緊適用于高速機床轉速不高和變速范圍較小的情況，其工作原理是利用剛性的預載荷來增加預緊力.控制預緊力，定位預緊非常有效，而且操作方便；但也存在缺點，當溫度升高時，內部的軸系零件溫度也會跟著升高，在電主軸完成裝配后預載荷大小將無法調整，軸承會出現一定的磨損，需要重新調整控制系統，給用戶帶來很多不便.

5.2 定壓預緊

定壓預緊適用于工作要求較高、且轉速和變速都很大的情況，其工作原理是通過彈性預載荷裝置調整預緊力.對于精度較高的電主軸，軸向振動對其速度性能和使用壽命都會有影響，適合采用定壓預緊，它可以自動設計預載荷的位置.這種操作方式適合高速旋轉系統，但是會降低系統的剛度.

6 結論

高速機床的各部件工作原理不同，要根據實際情況采用正確的安裝方式和配對方式.預緊力對于機床正常運轉有著至關重要的作用，因此要重視預緊方式的合理選擇.通過一系列的分析比較可知，軸向預緊更適合運用于機床主軸中.通過對不同配對方式的比較可知，DB方式比DF方式更適合用于高速機床主軸中.在未來的發展中，要重視優化不同工況下的預緊技術，以促進高速機床更加高效的運轉.