机床主轴_轴承系统的刚性设计与分析.pdf

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1、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 言人们常把机床主轴看作机床的心脏,其自身质量的好坏直接影响到整个机床的性能。机床主轴 轴承系统的刚性直接决定了加工工件的精度、表面粗糙度以及机床的切削效率。只有提高机床主轴 轴承系统的刚性,才能保证被加工工件的精度,并提高生产效率。1轴承对主轴刚性的影响轴承自身的刚度依

2、轴承的类型不同而不同。通常以线接触的圆柱滚子和圆锥滚子轴承,其刚性高于以点接触的球轴承。随着现代机床主轴的发展,作为机床主轴轴承必须具备回转精度高、速度性能好、速度范围宽、高刚性、温升低且平稳以及可靠性能高等特点。因而一般机床的主轴轴承通常采用圆柱滚子轴承、双向推力球轴承、角接触球轴承等。如图1所示,为3种主轴结构对主轴刚性能作结果的比较。图1收稿日期:20010124作者简介:雷镝(1971),男,辽宁法库县人,助工2001年9月第18卷第3期沈阳航空工业学院学报Journal of Shenyang Institute of Aeronautical EngineeringSep.2001

3、Vol.18No.3 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选择适当的轴承能提高主轴 轴承系统的刚性,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

4、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。对角接触球轴承施加预紧力的方式有两种,即固定位置预紧和恒压预紧。图2、图3分别为固定位置预紧和恒压预紧轴承在外载作用下的轴向位移曲线,图4为此两种预紧的刚性比较曲线,图中表示了在预紧力相同的情况下,前者能获得较大刚性,此外,预紧力还会随着温升、外载的变化而变化。同时也说明采用预紧与不采用顸紧,对主轴轴承轴向变形有相当大的影响。图 2A.轴承B.轴承l.轴向载荷;2.轴

5、向位移图 3A.轴承;B.轴承;1.轴问载荷;2.轴向位移图 41.轴向载荷;2.固定位移预紧轴承;3.恒压预紧轴承;4.无预紧轴承;5.轴向位移预紧力的大小通常根据外载作用力的大小以及被加工工件的精度等所要求的主轴 轴承系统刚性来确定。按一般原则,磨床主轴、加工中心主轴采用特轻预载和轻预载;而车床主轴轴承常采用中等预载。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盈量常定为02m。相应轴向位移如图5,可根据公式(2)来表示Ba=ec1000(2)式中 Ba 轴向位

6、移(mm);e 轴承系列影响系数,见表1;c 所要求的过盈量(m包括要求消除的径向游隙)。30 沈阳航空工业学院学报 第18卷表1直径比didm轴承系列NN30KN10AKNNU49BKNIgAKO.212.5120.314.5130.415140.516150.617160.71817表中dm、di 安装轴承处的主轴外径与孔径(mm)图53 主轴轴承间支承距的选择轴承的角度陈述了轴承本身以及采用适当预紧措施来提高主轴 轴承系统刚性。然而单纯从主轴轴承角度来提高刚性毕竟是有限的。实践证明轴承本身对主轴 轴承系统刚性影响相对主轴本身来说要小,前者占20%左右,而后者占80%。因而要提高主轴 轴承

7、系统刚性,必须对主轴采取优化设计,以获得最好刚性。为提高主轴本身的刚性,通常应尽可能地加粗主袖直径,减少工作端悬伸量,选择合理的支承距。图6 图6为两支承主轴结构受力简图。影响主轴 轴承系统的刚性从主轴端部径向变形的计算公式(3)可见r=Fra-Far3EaLI1+61(m+1)amA1L(主轴部分)+Fra3Ea2I2+62(m+1)mA2-Fara22EI2(悬伸部分)+Fr(a+l)-Fara+LL2CrA(轴承A)+(Fra-Far)aL2CrB(轴承B)(3)式中 r 主轴端部的径向变形(mm);Fr 主轴端部的径向载荷(N);Fa 主轴端部的轴向载荷(N);r 载荷作用点处的半径(

8、mm);E 主轴的弹性模量(N/mm2);d 主轴孔直径(mm);D 主轴外径(mma);a 悬伸量(rata);L 支承距(mm);I 惯量(mm4);Ii=(Di4-di4)/64,i=1,2;A 截面积(mm);Ai=(Di2-di2)/4,i=1,2;m 泊松比(钢m=10/3);形状系数,(连续截面=10/9,深槽截面r2);Cr 轴承径向刚性(N/mm)。式中(下角)1:轴承之间的主轴部分;2:主轴悬伸部分;A:轴承A;B:轴承B。轴承间支承距越大,轴承间主轴部分弯曲越大,也就增加了主轴端部的实际不同轴度和主轴端部挠度。若主轴支承距过小,主轴的弯曲所引起的实际不同轴度会减小,但轴承

9、所承受的载荷为此而加重,从而导致轴承变形的增大。因此,在其他参数保持不变的情况下,对公式(3)进行求导。可以得到一个最佳支承距L,此时,主轴端部变形r最小,即主轴系统刚性最好。图7表示两种主轴结构,在其他参数不变的情况下,改变支承距L所得到的主轴端部变形、。实验结果告诉我们,要提高主轴刚性,支承应相对短些,一般情况下尽可能采用两支承,而三支承和四支承仅用于特殊条件下。(下转20页)第3期 雷 镝等:机床主轴 轴承系统的刚性设计与分析 31机械设计中的一些难题,如相贯线的定位、投影线生成等。(2)在高压辊磨机的关键结构设计中,应用基于特征的实体建模技术与传统的设计方法相比,减少了设计、绘图、修改

10、的工作量,缩短了设计周期,提高了设计质量,节约了设计成本。参考文献1孙家广.计算机辅助设计技术基础.北京:清华大学出版社,20002CAD/CAM专家组.微机三维CAD软件测评报告.CAD/CAM计算机辅助设计与制造,2000(8)3高航,杨晓明,徐晓荷.矿岩高压辊磨机的试验研究.东北大学学报,1996(1)4K.Jha,B.Gurumoorthy.Automatic propagation of feature modificationdomains.ComputerAided Design.2000,32(12)5C.M.Hoffmann,R.JoanArinyo.Distributedm

11、aintenanceofmultiple produce views.ComputerAeded Design.2000,32(7)6H.Masuda,R.Ohbuchi.Codingtoologystructureof3DCADmodels.ComputerAided Design.2000,32(5)Study on Technology of Solid Modelling Basedon Feature in SolidWorksQU LigangABSTRACTIn this paper,the definition and category of feature about sol

12、id modelling technology of partsbased on feature are introduced,the technology is further studied through practical engineering examples.Atthe same time,the methods and steps of solid modelling are discussed in detail,as well as the characteristic offeature.KEY WORDSSolildWorks,feature,solid modelli

13、ng.(上接31页)图74结 论综上所述,只要合理选择轴承,采用适当的预紧方式和适量的预紧力,选取合理的轴径和支承距以及悬伸量等,才能设计出刚性符合要求的主轴 轴承系统。参考文献1机电一体化技术手册编委会.机电一体化技术手册(上册).北京:机械工业出版社,19942机床设计手册编写组:机床设计手册(3).北京:机械工业出版社,19863戴曙.金属切削机床设计.北京:机械工业出版社,1981The Rigid Design and Analysis of the Main ShaftBearing System of Machine ToolLEI diWANG haoABSTRACTThis

14、paper discusses the effects of bearing,pretighteningforce and ways in main shaft-bearingsystem on its rigidity,and gives out the calculation of shaft diamefer,the distance of supporting,overhangamount,etc,and the choice method of main shaft.KEY WORDSmain shaft-bearing system;rigidity;pretightering force,distance of supporting20 沈阳航空工业学院学报 第18卷