机床主轴三联角接触球轴承预紧力的研究
轴承预紧力研究方法总结
variable preload and constant preload
Based on the analysis above, the variable preload for the entire speed range can be obtained from Tables 8 and 11. A preload of 2000 N is selected as the constant preload according to the medium preload. The temperature rises of bearing under variable preload and the constant pressure preload were simulated by aid of FEM. The temperature rises corresponding to the rotational speeds are shown in Fig. 7. For constant pressure preload, the temperatures of the bearing increase almost linearly with the spindle speed. For variable preload, the bearing temperatures increase when the speed is less than 3000 rpm, and decrease as the spindle speed exceeds 3000 rpm. When the spindle speed exceeds 4000 rpm, the bearing temperatures are lower than the constant pressure preload, by 3 °C at 7000 rpm.
主轴滚动轴承轴向预紧技术
专题与综述Topics and reviews0 引言电动主轴是通过将旋转轴放置在电动机的转子中而形成的完整的主轴单元。
大多数电主轴旋转10000到400000 r/min，广泛用于机械，汽车，航空航天，电子和其他领域。
为满足低速高扭矩切削和高速高精度切削的要求，提出了现代数控加工技术。
为了在低速下获得足够的刚度，必须对电主轴轴承施加大的预载荷。
通过在高表面条件下施加小的预载力可以获得高表面光洁度。
1 主轴滚动轴轴向预紧技术现状由于其内部结构复杂，工艺稳定，电主轴维护方便，大多数高速加工中心的电主轴只能根据重载和介质的综合要求，对轴承施加适当的初始预紧力和轻预载张力[1]。
正确的预加载消除了轴承间隙，提高了轴的刚度和加工精度。
然而，随着电主轴温度的升高，热膨胀导致轴承的实际预载荷超过初始预载荷，导致轴承温度升高。
滚动轴承的精度寿命成为加工中心主轴精度寿命的瓶颈。
轴承预压技术是电主轴的关键技术之一。
它与电主轴的精度，刚度和温升有关。
因此，有必要系统地开展国内外主轴滚动轴承轴向预压技术的研究成果。
回顾分析总结，掌握电主轴轴承预紧技术的未来发展趋势。
2 轴承预紧力滚动轴承电主轴通常包括主轴壳体，主轴（转子），后端浮动轴承，工具接口，润滑系统和定子冷却水夹克。
高速轴承加工技术是电主轴许多关键技术中的第一项。
实现电主轴的高速，高精度是关键，也决定了电主轴的寿命和承载能力。
电主轴轴承包括角接触球轴承，圆锥滚子轴承，静压轴承和磁力轴承。
磁悬浮轴承具有磨损低，能耗低，噪音低，寿命长，无润滑等优点，但价格昂贵，控制系统复杂，加热问题不易解决[2]。
不适合大规模推广电主轴。
静压轴承是一种多油楔形油膜轴承，结合了流体动力轴承和静压轴承的优点。
解决了动压轴承高速运转时发热量大，供油系统复杂的问题，克服了动摩擦轴承启停过程中干摩擦的缺点。
它具有良好的高速性能和宽广的速度范围。
适用于大功率粗加工和超高速精加工。
但是，动态和静态轴承必须单独设计和制造。
定位预紧配对角接触球轴承工作预紧力分析
Ｉ ＝Ａｏ ＋ ｋ＋ ， ｋ ｆｋ 。 。
（０ １）
为
式中：
为 外 圈和 座 孔 的 原 始 设 计 过 盈 量 。外
粗 糙 度 、 何误 差 等 其他 因素 引起 的过 盈 量 变 化 几
ａ ＝ａ ｏ＋ ｆ ｆ ＋ ＋ ， （） ４
ห้องสมุดไป่ตู้
收 稿 日期 ：０ ２—０ ２１ １—１ ； 回 日期 ：０ ２—０ ０修 ２１ ２—０ ３
式 中：ｆ ａ 为有效配合过盈量 ； 肋 原始设计 过盈 △
《 轴承￣ ０ ２ Ｎ ． ２１．ｏ９
量 ； 为 内圈 和 轴 的 离 心 膨 胀 引 起 的过 盈 量 变 化 量 ；ｆ 为 热 膨 胀 引 起 的过 盈 量 变 化 量 ； ａ，
生 公转 打 滑和 陀螺旋 转 ， 小 球 自旋 滑动 ， 而减 减 从 小 摩擦 和 发 热 。在 航 空 、 天 和 机 床 等 领 域 轴 向 航 预 紧配 对 角接触 球轴 承 的应用 非 常广 泛 。 按 照施 加 预 载 荷 的方 法 ， 向预 紧分 为 定 位 轴 预紧和 定压 预紧 两 种 … ， 同样 的轴 向载 荷 下 ， 在 定 位预 紧使支 承 系 统 的轴 向刚度 比单 个 同 型号 轴 承 提高一 倍 ， 也可使 支承 的径 向刚度 显著 提 高 。但 是
内圈 随轴一 起高 速旋 转 时会 产 生很 大 的离 心 力 ， 内圈产 生径 向和环 向 （ 向 ） 使 切 应力 ， 而 产 生 从
膨胀 ， 即离 心 膨 胀 。根 据 弹性 理 论 中 的厚 壁 圆筒
为球工 作 温度 ； 为球 直 径 ；ｏ ， Ｊ Ｔ 为室 温 。
高速角接触球轴承预紧力分析及可控预紧方法研究
高速角接触球轴承预紧力分析及可控预紧方法研究高速角接触球轴承预紧力分析及可控预紧方法研究摘要：角接触球轴承在工程应用中广泛使用，其性能直接影响到机械设备的工作效率和寿命。
预紧力作为角接触球轴承中的重要参数，对于提高轴承的刚性和抗疲劳性能起到至关重要的作用。
本文通过对高速角接触球轴承预紧力的分析和研究，探讨了可控预紧方法，以进一步提高轴承的运行稳定性和可靠性。
1. 引言角接触球轴承作为一种重要的传动元件，广泛应用于高速机械设备的支撑系统。
在高速运转的过程中，轴承面临着高温、高速和高负荷等复杂工况，因此其性能的稳定性和可靠性显得尤为重要。
而预紧力的大小直接影响轴承的刚性和承载能力，因此对其进行准确的分析和控制具有重要意义。
2. 高速角接触球轴承预紧力分析2.1 薄壁模型的建立通过建立高速角接触球轴承的薄壁模型，可以得到轴承在高速工况下的接触应力和变形情况。
首先，根据轴承的几何参数和材料力学性质，建立轴承的有限元模型。
然后，利用有限元方法进行计算，得到轴承在不同预紧力下的接触应力和变形情况。
2.2 预紧力的影响根据薄壁模型的计算结果可以发现，预紧力对于轴承的刚性和承载能力有着直接的影响。
当预紧力增大时，轴承的接触应力增加，刚性增加，但是由于接触应力的增加，可能导致接触面的磨损加剧。
因此，预紧力的大小需要在合理范围内进行选择。
3. 高速角接触球轴承可控预紧方法3.1 液压调节法液压调节法是一种常见的可控预紧方法，通过调节流体的压力和流量来实现预紧力的控制。
该方法具有调节范围大、精度高的优点，适用于对轴承的精确控制。
3.2 磁力调节法磁力调节法利用磁场的作用，通过改变磁场的强度和方向来调节轴承的预紧力。
该方法具有调节范围大、响应速度快的特点，适用于对轴承预紧力的实时调整。
3.3 机械调节法机械调节法通过改变预紧垫片的厚度或调整螺母的位置来实现对预紧力的调节。
该方法简单易行，但调节范围相对较小，适用于对预紧力要求不高的场合。
轴承预紧的原理、作用
轴承预紧的原理、作用一、轴承预紧的原理轴承预紧一般用于高精密运转条件下的工况场合。
从理论上讲，轴承在零游隙甚至一定程度下的负游隙工况场合运转才最平稳，此时轴承刚度得到最有效发挥，轴承运转时的噪音也最低，因此，应尽量保证轴承在此条件下工作。
但是考虑到轴承的安装配合、工作时温度变化所引起的材料变形等因素，轴承在加工时都是预留有正向游隙的。
为了能在高精密运转条件下的工况场合使用，就在轴承和相关部件安装配合后，采取一定的措施来施加预紧力，通过调整内外套圈的位置，来调整轴承游隙，使得轴承工作时的游隙值为零或负，这样就可以保证高精密运转下轴承运转的平稳。
关于要实施预紧的轴承型号，基本上覆盖了所有常规型号，也可以说，高精密场合用到的所有类型轴承，都需要进行预紧。
包括：深沟球轴承（家用电器用到）、角接触球轴承（其在高速机床主轴上使用时必须进行预紧）、推力轴承类、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承等，都可以见到预紧的情况。
需要说明的是：预紧也有个度，预紧太过了也会造成轴承工作温升过高，容易造成轴承的早期失效。
但是预紧太小，高速运转时，轴承又不能平稳运行。
所以目前也开发出预紧力可变调整机构。
预紧分为轻度预紧、中度预紧和重度预紧。
当轴承需要高速运转并要求运转平稳时，应该实施轻度预紧；当轴承需要提高承载力和刚度，且转速不高时，应实施中度或重度预紧。
轻度预紧只是为了减少轴承在工作运转时，非接触区内滚动体与滚道间因游隙所产生的窜动，因此，保证轴承游隙为零或者零上游隙即可；中度或重度游隙为零下负游隙。
预紧力的大小必须经过计算得出，计算必须考虑轴承的内部结构及相关尺寸，包括沟曲率、钢球曲率、材料性能等。
计算出来后再转化为螺栓的扭矩，因为一般预紧力都是通过螺栓来施加，所以可以通过扭矩扳手来施加预紧力。
需要说明的是，国内很多场合都是靠经验来控制预紧力，这种方法一是因为国内轴承精度的一致性比较差，二是对预紧力的控制方法不是很规范所致。
圆锥滚子轴承无论正负游隙都是纯滚动,其最大的发热源是在滚子大端面与内圈大挡边处的滑动摩擦, 而调心滚子轴承无论正负游隙其滚子的不同点与内外圈滚道都有滑动摩擦.一般在负游隙时发热量急剧增大的原因时预载荷破坏了润滑油膜,使两金属接触表面直接粘连.三对角接触球轴承则不然，轴承在装配后是否纯滚动取决于轴承的装配状态。
角接触球轴承预紧力是怎样计算的
角接触球轴承预紧力是怎样计算的机床上用于金属切削的主轴是机床的关键部件,其运转的正常是衡量机床可靠性的重要因素。
主轴组件的各项精度是用来保证被加工工件质量的重要方面, 而主轴轴承是用来支承主轴组件、保证主轴的刚度、承载力及旋转精度的重要零件。
众悦主轴轴承在运转过程中因为一些因素产生磨损造成精度降低、滚道面损伤、发热量大、噪音增大等状况,使轴承不能继续使用,这时需要拆卸主轴, 更换轴承备件。
如果轴承使用不当就会造成主轴维修次数增加,造成停工时间,影响生产率。
所以要正确选用轴承来延长轴承的使用寿命。
主轴轴承装配时需要对轴承进行预紧,合适的预紧量可以获得合适的预紧力, 能提高轴承的寿命和精度。
预紧使滚道和滚动体之间在没有外载荷的情况下对轴承先施加载荷,当有外载荷存在, 使轴承的载荷叠加,从而提高轴承的刚度。
但是过度预紧是轴承滚动体和滚道的接触应力增大,摩擦力增大,使轴承温升提高寿命降低。
所以要根据载荷和转速, 综合考虑预紧力。
角接触球轴承的预紧方式分为定压预紧和定位预紧两种。
使用最普遍的定位预紧方式,使用定位预紧时轴承的相对位置不会发生变化,即由于负荷而引起的轴的位移较小。
角接触球轴承的预紧量和预紧力都是由轴承公司组配,按照预紧力的大小分为轻(L),中(M),重(H)三个等级。
一般的主轴轴承使用轻预紧和中预紧方式。
预紧力大小根据切削时的承受的最大轴向力大小选用。
为保证主轴的抗振性能, 选择的预紧力大小要不小于所承受负轴向负荷的20%～25%, 还要考虑滚动疲劳寿命、轴承的刚度等。
预紧力和预紧量是根据以上综合考虑出的,必要时通过预加载荷试验并测定, 因为主轴装配在运转过程中预紧力会发生变化, 所以预紧力是“测”出的而不是算出的。
主轴轴承预紧力的发展及研究
图 １主轴结构示 意图 滚 动轴承 理论分析方法 不但 能够 弥补传 统设计理念 的不足 ， 而 且能够 从 本质 上揭示轴 承设计方案 中存在 的问题 。 随着滚动轴承理论分析方法的 不断完善 ， 可以逐渐 的降低 新轴承 产品的研 发周期和费用 。对于 高速 精密 角接 触球轴承组合 ， 尺寸偏差 、 沟 曲 率 半 径 系数 及 转 速 等 对 轴 承 组 合 的 载 荷 分配具 有显著 的影 响， 从而会相应 的影 响轴承 的使用性能 。 ２滚动轴承基本理论 的发展现状 ２ Ｏ世纪末 以来 ， 随着工业 水平 的迅猛发展 ， 轴承 需求 也越来 越大 ， 相 应 的对 于 轴承 的 承载 能 力及 寿 命 等 的理 论 分 析 也 获 得 了空 前 的发 展 。目前 常 用的滚动轴承分析模 型主要有静 力学模型 、 拟 静力学模 型、 拟动力 学模 型 和 动 力 学模 型 。 静力 学模型研 究滚动轴承在外 载荷和位移 约束的条件 下的静力平衡 问题 ， 只考虑滚动体与 内外滚道 的法 向接触力 ， 而忽 略保 持架、 密封圈及离 心力和陀螺力矩 等对轴承静力平衡的影响 ， 并且假 设滚 动体与滚道之 间为 纯滚动接触且 内外接触角始终相等 。 静力学模 型的分析主要是受力平衡方 程和变形 几何相 容方程联合求解 ， 通常用数值方法求解 这些较为复杂 的非
科 学 进 步
主轴轴承预 紧力 的发展及研 究
唐
摘
伟 ， 侯 晓冬：
（ １ ． 辽 宁省高速公路管理 局鞍山管理处 ； ２ ． 沈 阳赛特维工业装 备有限公司） 要： 主轴轴 承的性能直接影响 到电主轴的性能， 因此机床 的加工精度和效率等重要性能很 大程 度上取决于主轴轴承 ， 提高机床 的生产 效率和加
轴承预紧的方法
轴承预紧的方法提一下在工厂里时的一个做法,当时有"预紧",但在工人装配时他们往往是凭感觉的,因为也没有提出预紧力是多大,他们是先装上,拧紧,年纪小的师傅还用塞规,年纪大的师傅在拧紧后(比如是螺母),再将螺母倒退几下,就可以了。
对于不是很精密的设备，老师傅的经验足够了。
但如果是低温或主轴，还是要有精确定位尺寸保证的。
不能依靠螺纹的“经验”预紧。
我们的低温轴承箱对弹簧片的定位是经过很多试验最终确定的。
不然工作不到1小时就不行了。
轴承（包括万能组合轴承）出厂时就确定了预紧量大小，型号后缀中的UL、UM就表示了预紧等级。
尤其万能组合轴承，当其内外圈平齐时就能达到要求的预紧，用户要做的就是配磨隔圈，确保隔圈端面平行度<0.002mm。
故万能组合轴承应用越来越广。
轴承预紧一般用于高精密运转条件下的工况场合。
从理论上讲，轴承在零游隙甚至一定程度下的负游隙工况场合运转才最平稳，此时轴承刚度得到最有效发挥，轴承运转时的噪音也最低，因此，应尽量保证轴承在此条件下工作。
但是考虑到轴承的安装配合、工作时温度变化所引起的材料变形等因素，轴承在加工时都是预留有正向游隙的。
为了能在高精密运转条件下的工况场合使用，就在轴承和相关部件安装配合后，采取一定的措施来施加预紧力，通过调整内外套圈的位置，来调整轴承游隙，使得轴承工作时的游隙值为零或负，这样就可以保证高精密运转下轴承运转的平稳。
关于要实施预紧的轴承型号，基本上覆盖了所有常规型号，也可以说，高精密场合用到的所有类型轴承，都需要进行预紧。
包括：深沟球轴承（家用电器用到）、角接触球轴承（其在高速机床主轴上使用时必须进行预紧）、推力轴承类、圆锥滚子轴承、圆柱滚子轴承等，都可以见到预紧的情况。
需要说明的是：预紧也有个度，预紧太过了也会造成轴承工作温升过高，容易造成轴承的早期失效。
但是预紧太小，高速运转时，轴承又不能平稳运行。
所以目前也开发出预紧力可变调整机构。
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预 紧力
角接触 球轴 承
引
言
机 床 主 轴 前 支 承 目前 多采 用 三 联 角接触 球
轴 承 的 结构 (图 1 ) 广泛 地 用 于 数 控 车 床 车 轻
、
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这种 结构 性 能 优 越
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加 工 中 心 以 及各 种高速
三联 角接 触 球 轴 承 分
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预紧 力的 测 盘
2
但 当 预 紧 力达 到 一 定 值时 再
,
进一 步提高 预 紧
,
温 升 将 陡 增 寿 命 也 将下降
,
O
,
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预 紧 力 的 测 量 原理如 图
A
,
所示
1
,
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拧 紧螺 母
,
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B
和套
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压轴 承
内圈
不 同 精 度 的 机 床 其 主 轴轴 承 的 温升限 制 也 不
测 量 在 不 同 预 紧 力 下主 轴 前端 的 径 向位移 主轴 每 转 过 9 0
0 6 是 必
m m
。
四
3
、
温 升 实验
测量 一 次
,
取 其平 均 值
:
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图
1
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实验 取 值
,
轴 承 的 主 轴 组 件 预 紧 力 与 径 向位
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预 紧力 的 上 限 取 中预 紧 左 右
必8 0 和 必1 0 0 m
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月2 8 日 通 过 机 电部 组 织 的 鉴 定
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时
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传 感 器 的 指示 值 就是 轴 承
内 圈与轴 颈 l f o ’
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38
机
床》
的 最 大 静 摩擦 力 已 扣 除了 摩 擦力
。
最 大 静摩擦 力主 要 决 定于 内
。
所提高 都较 小
,
响 应 的 幅 值有升有 降
,
但是两 者变 化
。
圈 与 轴颈 间 的 配 合
。
本 文以 后 所 说 的预 紧力均
。
还 是 因 为 模 拟 主 轴 的振 型 属于 一 次 弯
因此 可 以 认
,
曲
、
,
主 轴 系统 是 主 轴 本 身 的 缘 故
为
:
对 于动态 特 性
预 紧 力 不 是 主 要 的影 响 因
二
静 刚 度 实验
,
素
。。
。
在主 轴 前 端 施 加 一 个 固 定的径 向 力 凡
19 8 2 年第 2 期
量
。
温
3
.
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若 室温 不是2 0 ℃
T
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,
则 按 下 式 〔” 校 正
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实验 结 果
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2 0)
0 6 上 表是 必轴承 的 温 升 实验 据,。式中
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:
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室温 为
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时 测 得 的 轴承 温 度
温为 2 0
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表
中温 升为 室温 2 0 C 时
一 …} 一 l{
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1 0 0 0 1 只n o 2 0 0 0
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1穷
紧力 下 的 共 振 频 率
在主 轴 前 端
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、
、
动 态 响应 和 振 型
。
激 振点
必6 。
、
8
百1
只
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1 5 Om m
处
,
拾 振 点距 激 振 点
.
,
激 振 力 的 幅 值 固 定为 5 1 5
N
。
气
砂8 0 必1 0 Om m 轴承 主 轴 组 件 的 动 态性 能 实 : , 验结 果 表 明 随 着 预 紧力 的 增大 共 振 频 率有
靡 导麟粼 欧
20 断 5 \】
.
毋 哪
必 加m
m
轴 承 主 轴组 件 等 温 曲 线
50 功
、
100 必 1 1om 必
、
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,
可 用 插 值法 求 得
m 川
。
。
例
m i n
,
:
5 轴 承 直 径为 7
,
r 转 速 为 s o O0 /
数 控机 床
求 预 紧力 必s o m m
0
0
o 2 丝
解
:
数 控机 床 为 精 密 级
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主轴 组件 的 静 刚 度
A
动 态 特 性 和 不 同转 速 下 的 温 升 之 间 的 关 系
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故 可 用插 值
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轴承 的 预 紧 力 为
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轴 承 主 轴 组 件 等 温 曲线
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由哈 尔滨 轴承 J 标准 得知
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成 果 的 应用 及 举 例
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心 ( ) 引 加
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4 3
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本 研究 给 出 了 轴 承 允许 温 升 预 紧 力三 者 的 关 系
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主 题词
机床 主 轴
故 价 0 6
刚 度 不再 明 显 提高
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一 组 测 试数 据
、
实 验转速 L 限 取 三 联 角接 触 球
_
却 明 显 发热
10 m m 功
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轴 承 主 轴 组 件的 预
实验 证 明 必 0 8
,
轴承 的极 限 转 速
2
.
,
下 限 取 该 转速 的 1 / 4 左 右
1
。
紧力 的 上 限 值 定 为 12 。。N
必6 。
、
,
5 ~ 允许 温 升 1
上 城 览
图
7 1 0o 砂
0 2
举
转速
3 00 0 (r/m
吐 准
0 4
0 ℃ 2
知
,
。
由
轴 承 的 等 温 曲线 可
/m
i
n
、
这 两种 轴
m m
r 承 在s 0 0 0
允 许 温 升2 0
。
0
0
今脚
:
时 的 预紧 力 分 别 为 1 5 0 。和 6 0
法 求得 必7 5
丁
铣
、
锁 类 机 床主 轴
、
中
、
重 三种 不 同 的 预 紧 力
。
如 何 选择
1
,
目
:
前 只 有 一些 定 性 的 说 明