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数控机床轴承预紧对主轴刚度的影响

 

加工制造业的发展，对数控机床的加工精度有了更高的要求。机床主轴的性能对机床的加工质量具有重要的作用。对轴承进行适当的预紧，对提高主轴的刚度和固有频率都具有积极的作用。本文着重讨论不同的轴承预紧对主轴刚度和固有频率的影响，为主轴系统的设计和改进提供参考。 

 

社会经济的发展，加工制造业也加快了发展的步伐，加工件的精度要求和加工效率都有了明显的提高，这为数控机床的机械加工带来了挑战与压力。主轴系统作为数控机床的关键部分，其性能和运行效率对工件加工的质量有直接的影响，尤其对于高精数控机床来说，主轴的精度与主轴的刚度息息相关。为了达到提高主轴刚度的目的，多采取对主轴预紧的方式，如果预紧后没有达到理想的刚度要求，采用增加预紧量的方法对主轴刚度进行进一步的提高也是解决的方法之一。但是对于高速机床来说，角接触球轴承的预紧要控制在一定的范围之内，要提高主轴刚度，预紧量是否有必要提高、提高多少是必须考虑的问题。

 

1、轴承预紧对主轴刚度的影响 

　　

根据已知条件，对主轴的静刚度进行定义，则刚度K与预紧力F，力作用点的挠度之间的关系式为： 

　　

我们用支撑刚度相等的弹簧来代替轴承支撑，选取微预紧的轴承状态，预紧力F取200N。利用关系式计算球轴承刚度为7.6×108N/m，滚子轴承刚度涨幅随着预紧量的增加无明显改变，可以取固定值2.6×109N/m。在轴端施加预紧力2400N后得到挠度，由此利用关系式计算主轴刚度为220N/。在轴承预紧范围内将轴承的预紧量不断的增加，计算得出轴承刚度的结果。

　　

可以看出，随着球轴承预紧量的加大，主轴的弯曲刚度也随之不断的增加。滚子轴承则增大到一定的范围后保持平稳状态，可以得到后轴承预紧刚度达到一定范围后对主轴弯曲刚度无影响。因此，前端轴承的预紧对主轴刚度提升具有明显的作用。 

     　

2、主轴刚度和轴承游隙 

　　

在无压力载荷的情况下，轴承在内外环之间的位移即是角接触球轴承游隙。游隙分为轴向游隙和径向游隙。在安装角接触球轴承的时候需要根据实际的使用情况对游隙进行必要的恰当的调整，轴承要得到良好的刚性和旋转精度，就应该尽量事情在零游隙的情况下运行。对于大多数轴承来说，在一种过盈的工作状态下运转，在滚道和滚体之间存在需要存在一定程度上的预变形，也就是对轴承进行预紧。

 

预紧后的轴承，游隙减少或者消除，主轴受到各个方向的滚动体的支撑，对于主轴的刚度和精度的提高都有积极作用。在消除轴承的游隙之前，与滚道直接接触的只是部分滚动体，如果对轴承进行预紧后，会有更多的滚动体与滚道接触，则各个滚动体的载荷受力会更加的均匀，这对轴承的刚度和旋转精度的提高非常有利。

 

但是预紧的程度也要控制在恰当的范围内，如果程度过大，轴承在运转时会使温度过热，发生轴承咬住的状况，容易损坏轴承。因此，在进行预紧的过程中，要充分考虑到温度的影响，对轴承损坏的影响，权衡利弊后，进行恰当适量的轴承预紧。 

　　

3、轴承预紧对主轴固有频率的影响 

　　

在主轴的设计中，主轴结构的固有频率和振型作为重要的参数，必须对其进行计算和分析。本文对机床主轴进行动态分析，主轴的动态性能受安装在上面的卡盘等部件的影响较大，在进行主轴的有限元建模的时候，有必要将这些部件对主轴的影响考虑进去。在进行分析时，用与轴承支撑刚度相等的弹簧来代替轴承，球轴承刚度为7.6×108N/m，滚子轴承刚度取2.6×109N/m，对主轴的动态性能进行分析。在此过程中不断的对轴承的预紧量进行调整，对球轴承和滚子轴承的刚度对主轴固有频率的影响进行分别的计算。结果如图3所示： 

　　

对结果进行分析，随着球轴承的预紧量的增加，主轴在一阶和二阶的固有频率都表现出随之增加，但二阶频率的增加更为明显，但是随着预紧量的加大，二阶的频率是成平缓增加的状态。在一阶频率上，滚子轴承刚度对主轴固有频率有所影响，单增加幅度平缓，不明显。二阶频率期，主轴的固有频率几乎没有变化。 

　　

4、结论 

　　

主轴的弯曲刚度影响受前端球轴承的影响较大，后端滚子轴承对主轴弯曲刚度基本无影响。因此，对前端轴承进行适当的预紧，可以使主轴的刚度具有明显的提高。前端轴承支撑的刚度对主轴的固有频率具有较大的影响，后端轴承支撑刚度对主轴影响不明显。需要注意的是，预紧过度不仅不能有效的提高主轴的刚度，对主轴的系统会造成一定的损害，影响其使用寿命。

 

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