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數(shù)控機(jī)床軸承預(yù)緊對(duì)主軸剛度的影響分析
不管什么機(jī)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(shù)控機(jī)床軸承預(yù)緊對(duì)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(duì)數(shù)控機(jī)床的加工精度有了更高的要求。機(jī)床主軸的性能對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量具有重要的作用。對(duì)軸承進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，對(duì)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(yù)緊對(duì)主軸剛度和固有頻率的影響，為主軸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。
社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(shù)控機(jī)床的機(jī)械加工帶來了挑戰(zhàn)與壓力。主軸系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部分，其性能和運(yùn)行效率對(duì)工件加工的質(zhì)量有直接的影響，尤其對(duì)于高精數(shù)控機(jī)床來說，主軸的精度與主軸的剛度息息相關(guān)。為了達(dá)到提高主軸剛度的目的，多采取對(duì)主軸預(yù)緊的方式，如果預(yù)緊后沒有達(dá)到理想的剛度要求，采用增加預(yù)緊量的方法對(duì)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(duì)于高速機(jī)床來說，角接觸球軸承的預(yù)緊要控制在一定的范圍之內(nèi)，要提高主軸剛度，預(yù)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(jī)床主軸的結(jié)構(gòu)圖參見下圖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。
在無壓力載荷的情況下，軸承在內(nèi)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(jù)實(shí)際的使用情況對(duì)游隙進(jìn)行必要的恰當(dāng)?shù)恼{(diào)整，軸承要得到良好的剛性和旋轉(zhuǎn)精度，就應(yīng)該盡量事情在零游隙的情況下運(yùn)行。對(duì)于大多數(shù)軸承來說，在一種過盈的工作狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，在滾道和滾體之間存在需要存在一定程度上的預(yù)變形，也就是對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)緊。預(yù)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(duì)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(duì)軸承進(jìn)行預(yù)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(duì)軸承的剛度和旋轉(zhuǎn)精度的提高非常有利。但是預(yù)緊的程度也要控制在恰當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，如果程度過大，軸承在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)使溫度過熱，發(fā)生軸承咬住的狀況，容易損壞軸承。因此，在進(jìn)行預(yù)緊的過程中，要充分考慮到溫度的影響，對(duì)軸承損壞的影響，權(quán)衡利弊后，進(jìn)行恰當(dāng)適量的軸承預(yù)緊。
2、軸承預(yù)緊對(duì)主軸剛度的影響
根據(jù)已知條件，對(duì)主軸的靜剛度進(jìn)行定義，則剛度K與預(yù)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代替軸承支撐，選取微預(yù)緊的軸承狀態(tài)，預(yù)緊力F取200N。利用關(guān)系式計(jì)算球軸承剛度為7.6×108N/m，滾子軸承剛度漲幅隨著預(yù)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(yù)緊力2400N后得到撓度，由此利用關(guān)系式計(jì)算主軸剛度為220N/μm。在軸承預(yù)緊范圍內(nèi)將軸承的預(yù)緊量不斷的增加，計(jì)算得出軸承剛度的結(jié)果，如圖2所示：
可以看出，隨著球軸承預(yù)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(wěn)狀態(tài)，可以得到后軸承預(yù)緊剛度達(dá)到一定范圍后對(duì)主軸彎曲剛度無影響。因此，前端軸承的預(yù)緊對(duì)主軸剛度提升具有明顯的作用。
3、軸承預(yù)緊對(duì)主軸固有頻率的影響
在主軸的設(shè)計(jì)中，主軸結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型作為重要的參數(shù)，必須對(duì)其進(jìn)行計(jì)算和分析。本文對(duì)機(jī)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(duì)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(duì)主軸的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析。在此過程中不斷的對(duì)軸承的預(yù)緊量進(jìn)行調(diào)整，對(duì)球軸承和滾子軸承的剛度對(duì)主軸固有頻率的影響進(jìn)行分別的計(jì)算。結(jié)果如圖3所示：
對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，隨著球軸承的預(yù)緊量的增加，主軸在一階和二階的固有頻率都表現(xiàn)出隨之增加，但二階頻率的增加更為明顯，但是隨著預(yù)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(duì)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(jié)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(duì)主軸彎曲剛度基本無影響。因此，對(duì)前端軸承進(jìn)行適當(dāng)?shù)念A(yù)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(duì)主軸的固有頻率具有較大的影響，后端軸承支撐剛度對(duì)主軸影響不明顯。需要注意的是，預(yù)緊過度不僅不能有效的提高主軸的剛度，對(duì)主軸的系統(tǒng)會(huì)造成一定的損害，影響其使用壽命。
參考文獻(xiàn)
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