机床主轴_轴承系统的刚性设计与分析

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1、2001年9月沈阳航空工业学院学报Sep.2001第18卷第3期JournalofShenyangInstituteofAeronauticalEngineeringVol.18No.3文章编号:10071385(2001)03002904机床主轴———轴承系统的刚性设计与分析雷镝王浩(沈阳工业学院)摘要本文论述了主轴———轴承系统中轴承、预紧方式及预紧力对其刚性的影响,并给出了主轴轴径和支承距以及悬伸量等的计算和选择方法。关键词主轴一轴承系统刚性预紧力支承距中图分类号:TG511文献标识码:A0引言通常以线接触的圆柱滚子和圆锥滚子轴承,其刚人们常把机床主轴看作机床的

2、心脏,其自身性高于以点接触的球轴承。随着现代机床主轴的质量的好坏直接影响到整个机床的性能。机床主发展,作为机床主轴轴承必须具备回转精度高、速轴———轴承系统的刚性直接决定了加工工件的度性能好、速度范围宽、高刚性、温升低且平稳以精度、表面粗糙度以及机床的切削效率。只有提高及可靠性能高等特点。因而一般机床的主轴轴承机床主轴———轴承系统的刚性,才能保证被加工通常采用圆柱滚子轴承、双向推力球轴承、角接触工件的精度,并提高生产效率。球轴承等。如图1所示,为3种主轴结构对主轴刚性能作结果的比较。1轴承对主轴刚性的影响轴承自身的刚度依轴承的类型不同而不同。图1收稿日期:20010

3、124作者简介:雷镝(1971),男,辽宁法库县人,助工30沈阳航空工业学院学报第18卷从图2可以看出,在主轴基本相同,工作温升相同的情况下,图中第一种情况双列圆柱滚子轴承刚性高,另两种以角接触球轴承次之。但采用球轴承可获得较高的转速。同种类型的轴承,其系列不一样,对主轴———轴承系统刚性的作用效果也不一样,在相同外径条件下71930ACD轴承内径为150mm,而7028ACD内径为140mm,因而前者相对于后者,将主轴轴径加粗了7%,主轴端的刚性因此而提高了25%。2预紧力对主轴刚性的影响图3选择适当的轴承能提高主轴———轴承系统的A.轴承;B.轴承;1.轴问载荷;

4、2.轴向位移刚性,对轴承系统施加预紧力则是提高该系统刚性的进一步措施。合适的预紧力不仅消除了轴承内部的游隙,并且使滚动体产生一定量的弹性变形,其结果增加了滚动体的接触面积,提高了轴承的回转精度,提高了轴承刚性。轴承预紧力与很多因素有关,如运转中预压、滚珠的离心力、离心力引起的内圈槽膨胀、内外圈的温度差、装入轴承后的预压、衬套的变形、套装、轴承单件预压及转速等,都与预紧力有关。图4对角接触球轴承施加预紧力的方式有两种,1.轴向载荷;2.固定位移预紧轴承;即固定位置预紧和恒压预紧。3.恒压预紧轴承;图2、图3分别为固定位置预紧和恒压预紧4.无预紧轴承;5.轴向位移轴承在外

5、载作用下的轴向位移曲线,图4为此两预紧力的大小通常根据外载作用力的大小以种预紧的刚性比较曲线,图中表示了在预紧力相及被加工工件的精度等所要求的主轴———轴承系同的情况下,前者能获得较大刚性,此外,预紧力统刚性来确定。按一般原则,磨床主轴、加工中心还会随着温升、外载的变化而变化。同时也说明主轴采用特轻预载和轻预载;而车床主轴轴承常采用预紧与不采用顸紧,对主轴轴承轴向变形有采用中等预载。相当大的影响。对圆柱滚子轴承施加预紧力的方式是通过轴承内孔锥面与相应主轴部分产生过盈配合。使滚动体产生弹性变形,滚柱由线接触变为面接触,以达到提高轴承刚性的目的.圆柱滚子轴承内环与主轴的过

6、盈量常定为0～2μm。相应轴向位移如图5,可根据公式(2)来表示ecBa=(2)1000式中Ba———轴向位移(mm);e———轴承系列影响系数,见表1;c———所要求的过盈量(μm包括要求消除的径向游隙)。图2A.轴承B.轴承l.轴向载荷;2.轴向位移第3期雷镝等:机床主轴—轴承系统的刚性设计与分析31表1轴部分)F22轴承系列raa6γ2(m+1)Fara++-(悬di3EI2mA22EI2直径比dmNN30KNNU49BK伸部分)N10AKNIgAKa+L∠O.212.512+[Fr(a+l)-Far]2(轴承A)LCrA0.314.513a0.41514+(F

7、ra-Far)2(轴承B)(3)0.51615LCrB0.61716式中δr———主轴端部的径向变形(mm);0.71817Fr———主轴端部的径向载荷(N);表中dm、di———安装轴承处的主轴外径与孔径(mm)Fa———主轴端部的轴向载荷(N);r———载荷作用点处的半径(mm);2E———主轴的弹性模量(N/mm);d———主轴孔直径(mm);D———主轴外径(mma);a———悬伸量(rata);L———支承距(mm);444I———惯量(mm);Ii=π(Di-di)/64,图5i=1,2;3主轴轴承间支承距的选择2A———截面积(mm);