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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，過松或者過緊都沒有好處!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!
加工制造業的發展，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量具有重要的作用。對軸承進行適當的預緊，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提供參考。
社會經濟的發展，加工制造業也加快了發展的步伐，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了挑戰與壓力。主軸系統作為數控機床的關鍵部分，其性能和運行效率對工件加工的質量有直接的影響，尤其對于高精數控機床來說，主軸的精度與主軸的剛度息息相關。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行進一步的提高也是解決的方法之一。但是對于高速機床來說，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題。
1、主軸剛度和軸承游隙
機床主軸的結構圖參見下圖1所示，后端支撐由兩個圓柱滾子軸承，前端支撐為四個角接觸球軸承。
在無壓力載荷的情況下，軸承在內外環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候需要根據實際的使用情況對游隙進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。對于大多數軸承來說，在一種過盈的工作狀態下運轉，在滾道和滾體之間存在需要存在一定程度上的預變形，也就是對軸承進行預緊。預緊后的軸承，游隙減少或者消除，主軸受到各個方向的滾動體的支撐，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體，如果對軸承進行預緊后，會有更多的滾動體與滾道接觸，則各個滾動體的載荷受力會更加的均勻，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，如果程度過大，軸承在運轉時會使溫度過熱，發生軸承咬住的狀況，容易損壞軸承。因此，在進行預緊的過程中，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，對主軸的靜剛度進行定義，則剛度K與預緊力F，力作用點的撓度δ之間的關系式為：
我們用支撐剛度相等的彈簧來代替軸承支撐，選取微預緊的軸承狀態，預緊力F取200N。利用關系式計算球軸承剛度為7.6×108N/m，滾子軸承剛度漲幅隨著預緊量的增加無明顯改變，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，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，必須對其進行計算和分析。本文對機床主軸進行動態分析，主軸的動態性能受安裝在上面的卡盤等部件的影響較大，在進行主軸的有限元建模的時候，有必要將這些部件對主軸的影響考慮進去。在進行分析時，用與軸承支撐剛度相等的彈簧來代替軸承，球軸承剛度為7.6×108N/m，滾子軸承剛度取2.6×109N/m，對主軸的動態性能進行分析。在此過程中不斷的對軸承的預緊量進行調整，對球軸承和滾子軸承的剛度對主軸固有頻率的影響進行分別的計算。結果如圖3所示：
對結果進行分析，隨著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，但是隨著預緊量的加大，二階的頻率是成平緩增加的狀態。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影響。因此，對前端軸承進行適當的預緊，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，預緊過度不僅不能有效的提高主軸的剛度，對主軸的系統會造成一定的損害，影響其使用壽命。
參考文獻
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