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數控機床軸承預緊對主軸剛度的影響分析
不管什么機器部件的連接，過(guò)松或者過(guò)緊都沒(méi)有好處!適合才是最好的!那數控機床軸承預緊對主軸剛度有什么樣的影響呢?YJBYS小編為你解答如下!
加工制造業(yè)的發(fā)展，對數控機床的加工精度有了更高的要求。機床主軸的性能對機床的加工質(zhì)量具有重要的作用。對軸承進(jìn)行適當的預緊，對提高主軸的剛度和固有頻率都具有積極的作用。本文著(zhù)重討論不同的軸承預緊對主軸剛度和固有頻率的影響，為主軸系統的設計和改進(jìn)提供參考。
社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，加工制造業(yè)也加快了發(fā)展的步伐，加工件的精度要求和加工效率都有了明顯的提高，這為數控機床的機械加工帶來(lái)了挑戰與壓力。主軸系統作為數控機床的關(guān)鍵部分，其性能和運行效率對工件加工的質(zhì)量有直接的影響，尤其對于高精數控機床來(lái)說(shuō)，主軸的精度與主軸的剛度息息相關(guān)。為了達到提高主軸剛度的目的，多采取對主軸預緊的方式，如果預緊后沒(méi)有達到理想的剛度要求，采用增加預緊量的方法對主軸剛度進(jìn)行進(jìn)一步的提高也是解決的方法之一。但是對于高速機床來(lái)說(shuō)，角接觸球軸承的預緊要控制在一定的范圍之內，要提高主軸剛度，預緊量是否有必要提高、提高多少是必須考慮的問(wèn)題。
1、主軸剛度和軸承游隙
機床主軸的結構圖參見(jiàn)下圖1所示，后端支撐由兩個(gè)圓柱滾子軸承，前端支撐為四個(gè)角接觸球軸承。
在無(wú)壓力載荷的情況下，軸承在內外環(huán)之間的最大位移即是角接觸球軸承游隙。游隙分為軸向游隙和徑向游隙。在安裝角接觸球軸承的時(shí)候需要根據實(shí)際的使用情況對游隙進(jìn)行必要的恰當的調整，軸承要得到良好的剛性和旋轉精度，就應該盡量事情在零游隙的情況下運行。對于大多數軸承來(lái)說(shuō)，在一種過(guò)盈的工作狀態(tài)下運轉，在滾道和滾體之間存在需要存在一定程度上的預變形，也就是對軸承進(jìn)行預緊。預緊后的軸承，游隙減少或者消除，主軸受到各個(gè)方向的滾動(dòng)體的支撐，對于主軸的剛度和精度的提高都有積極作用。在消除軸承的游隙之前，與滾道直接接觸的只是部分滾動(dòng)體，如果對軸承進(jìn)行預緊后，會(huì )有更多的滾動(dòng)體與滾道接觸，則各個(gè)滾動(dòng)體的載荷受力會(huì )更加的均勻，這對軸承的剛度和旋轉精度的提高非常有利。但是預緊的程度也要控制在恰當的范圍內，如果程度過(guò)大，軸承在運轉時(shí)會(huì )使溫度過(guò)熱，發(fā)生軸承咬住的狀況，容易損壞軸承。因此，在進(jìn)行預緊的過(guò)程中，要充分考慮到溫度的影響，對軸承損壞的影響，權衡利弊后，進(jìn)行恰當適量的軸承預緊。
2、軸承預緊對主軸剛度的影響
根據已知條件，對主軸的靜剛度進(jìn)行定義，則剛度K與預緊力F，力作用點(diǎn)的撓度δ之間的關(guān)系式為：
我們用支撐剛度相等的彈簧來(lái)代替軸承支撐，選取微預緊的軸承狀態(tài)，預緊力F取200N。利用關(guān)系式計算球軸承剛度為7.6×108N/m，滾子軸承剛度漲幅隨著(zhù)預緊量的增加無(wú)明顯改變，可以取固定值2.6×109N/m。在軸端施加預緊力2400N后得到撓度，由此利用關(guān)系式計算主軸剛度為220N/μm。在軸承預緊范圍內將軸承的預緊量不斷的增加，計算得出軸承剛度的結果，如圖2所示：
可以看出，隨著(zhù)球軸承預緊量的加大，主軸的彎曲剛度也隨之不斷的增加。滾子軸承則增大到一定的范圍后保持平穩狀態(tài)，可以得到后軸承預緊剛度達到一定范圍后對主軸彎曲剛度無(wú)影響。因此，前端軸承的預緊對主軸剛度提升具有明顯的作用。
3、軸承預緊對主軸固有頻率的影響
在主軸的設計中，主軸結構的固有頻率和振型作為重要的參數，必須對其進(jìn)行計算和分析。本文對機床主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，主軸的動(dòng)態(tài)性能受安裝在上面的卡盤(pán)等部件的影響較大，在進(jìn)行主軸的有限元建模的時(shí)候，有必要將這些部件對主軸的影響考慮進(jìn)去。在進(jìn)行分析時(shí)，用與軸承支撐剛度相等的彈簧來(lái)代替軸承，球軸承剛度為7.6×108N/m，滾子軸承剛度取2.6×109N/m，對主軸的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。在此過(guò)程中不斷的對軸承的預緊量進(jìn)行調整，對球軸承和滾子軸承的剛度對主軸固有頻率的影響進(jìn)行分別的計算。結果如圖3所示：
對結果進(jìn)行分析，隨著(zhù)球軸承的預緊量的增加，主軸在一階和二階的固有頻率都表現出隨之增加，但二階頻率的增加更為明顯，但是隨著(zhù)預緊量的加大，二階的頻率是成平緩增加的狀態(tài)。在一階頻率上，滾子軸承剛度對主軸固有頻率有所影響，單增加幅度平緩，不明顯。二階頻率期，主軸的固有頻率幾乎沒(méi)有變化。
4、結論
主軸的彎曲剛度影響受前端球軸承的影響較大，后端滾子軸承對主軸彎曲剛度基本無(wú)影響。因此，對前端軸承進(jìn)行適當的預緊，可以使主軸的剛度具有明顯的提高。前端軸承支撐的剛度對主軸的固有頻率具有較大的影響，后端軸承支撐剛度對主軸影響不明顯。需要注意的是，預緊過(guò)度不僅不能有效的提高主軸的剛度，對主軸的系統會(huì )造成一定的損害，影響其使用壽命。
參考文獻
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