高速主軸軸承預(yù)緊力技術(shù)研究

李頌華，馮明昊

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

高速主軸軸承預(yù)緊力技術(shù)研究

李頌華，馮明昊

（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 交通與機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

高性能電主軸單元集合了精密主軸軸承技術(shù)、高速電機(jī)驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)、油氣潤(rùn)滑與冷卻技術(shù)、高速主軸軸承預(yù)緊等相關(guān)技術(shù)，其中高速主軸軸承預(yù)緊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能電主軸的關(guān)鍵技術(shù)之一。論文著重闡述了高速主軸軸承預(yù)緊力研究的目的和意義、軸承預(yù)緊力的研究現(xiàn)狀以及本實(shí)驗(yàn)室對(duì)軸承施加預(yù)緊力的研究。

電主軸；軸承預(yù)緊力；壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器

0 引言

高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件，其具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并能改善機(jī)床的動(dòng)平衡，減少機(jī)床的振動(dòng)和噪聲，在高檔數(shù)控機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。高速主軸軸承預(yù)緊技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高性能電主軸的關(guān)鍵技術(shù)之一，為此，有關(guān)主軸軸承預(yù)緊技術(shù)的研究對(duì)最大限度的發(fā)揮電主軸自身潛能具有重要意義。

本文著重闡述了高速主軸軸承預(yù)緊力研究的意義和目的、軸承預(yù)緊力研究現(xiàn)狀以及本實(shí)驗(yàn)室對(duì)軸承施加預(yù)緊力的研究。

1 軸承預(yù)緊力研究的目的和意義

電主軸所使用的角接觸球軸承在實(shí)際工作時(shí)，并不是所有軸承滾珠都與軸承內(nèi)外圈接觸，多數(shù)都會(huì)交替與軸承內(nèi)外圈出現(xiàn)間隙，這樣不僅大大降低了主軸剛度、主軸的臨界轉(zhuǎn)速，增加了主軸-軸承系統(tǒng)的振動(dòng)，而且嚴(yán)重影響軸承的使用壽命。如果對(duì)角接觸球軸承施加合適的預(yù)緊力使得多數(shù)甚至全部軸承滾珠與軸承內(nèi)外圈接觸不僅會(huì)顯著提高主軸-軸承系統(tǒng)的剛度、臨界轉(zhuǎn)速和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，同時(shí)也能提高電主軸的加工精度。為此，國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究人員進(jìn)行了不斷深入研究。

洛陽(yáng)軸研科技公司的郭向東等人研究了不同跨距時(shí)軸承預(yù)緊力與主軸固有頻率的關(guān)系[1]。研究結(jié)果表明，在同一主軸-軸承系統(tǒng)中，系統(tǒng)的固有頻率隨軸承預(yù)緊力的增大而增大；相同的預(yù)緊力下，系統(tǒng)的固有頻率隨軸承支承跨距的增大而增大。

東南大學(xué)的蔣書(shū)運(yùn)等人研究了軸承預(yù)緊力與主軸剛度的影響關(guān)系[2]。 研究結(jié)果表明，主軸-軸承系統(tǒng)的剛度隨著軸承預(yù)緊力的增大而增大，并隨著軸承預(yù)緊力的增大，主軸-軸承剛度的增長(zhǎng)速率逐漸降低。

軸承預(yù)緊力的施加對(duì)軸承的溫升有重要影響。東南大學(xué)的蔣書(shū)運(yùn)等人研究了軸承預(yù)緊力與軸承溫升的影響[3]。研究結(jié)果表明，在同一轉(zhuǎn)速下，軸承溫度會(huì)隨著軸承預(yù)緊力的增大而升高；同一軸承預(yù)緊力下，軸承的溫度會(huì)隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大。

高速電主軸在低速粗加工時(shí)輸出大轉(zhuǎn)矩，此時(shí)主軸-軸承系統(tǒng)需要較大的預(yù)緊力，以增大主軸-軸承系統(tǒng)的剛度和抵抗主軸-軸承系統(tǒng)的受迫振動(dòng)和自激振動(dòng)；在進(jìn)行精加工時(shí)，切削速度高，要求電主軸輸出大功率，此時(shí)軸承溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而大幅攀升，這時(shí)在滿(mǎn)足主軸系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能的前提下，盡量降低軸承的預(yù)緊力。

2 軸承預(yù)緊力的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前高速主軸軸承的預(yù)緊主要為定位預(yù)緊（如圖1）和定壓預(yù)緊（如圖2）。所謂定位預(yù)緊就是利用軸承內(nèi)外隔圈寬度的尺寸差來(lái)施加預(yù)緊力，這種預(yù)緊方式的特點(diǎn)是軸系剛度較強(qiáng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。但當(dāng)軸系零件發(fā)熱而使隔圈長(zhǎng)度變化時(shí)，預(yù)緊載荷的大小也會(huì)發(fā)生變化。定壓預(yù)緊就是用適當(dāng)?shù)膹椈闪?lái)作為預(yù)緊力。由于彈簧的剛度遠(yuǎn)小于軸承的剛度，因此在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中幾乎保持不變，但彈簧預(yù)緊的剛性相對(duì)較差。而預(yù)緊力的大小是兼顧低速大扭矩和高速大功率兩方面因素綜合確定的，傳統(tǒng)的定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊已經(jīng)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求，所以需要研制能夠根據(jù)主軸不同工況而自動(dòng)調(diào)節(jié)預(yù)緊力的裝置。

圖1 定位預(yù)緊Fig.1 Positioning preload

圖2 定壓預(yù)緊Fig.2 Constant pressure preload

2001 年浙江大學(xué)的蔣興奇等人依據(jù)防止角接觸球軸承滾珠發(fā)生陀螺滑動(dòng)，確定了角接觸球軸承最小軸承載荷的計(jì)算方法[4]。河北工業(yè)大學(xué)的李為民和王海濤研究了在施加軸向預(yù)緊力時(shí)，角接觸球軸承和圓錐滾子軸承的軸向和徑向剛度的計(jì)算方法[5]。洛陽(yáng)軸承研究所的蔣蔚等人分別研究了依據(jù)摩擦力矩、軸向變形和隔圈方法來(lái)驗(yàn)證軸承預(yù)緊力的大小[6]。2004年李紅光詳細(xì)總結(jié)了滾動(dòng)軸承選擇軸承預(yù)緊的方式、原則，測(cè)試軸承預(yù)緊力大小的方法，并研究了估算施加軸承預(yù)緊力大小的方法[7]。2008年楊錦斌設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)用于主軸軸承游隙的測(cè)量工具[8]。

3 國(guó)內(nèi)外有關(guān)軸承預(yù)緊力技術(shù)的研究及發(fā)展趨勢(shì)

最早是由德國(guó)GMN公司采用液壓預(yù)緊方法，如圖3所示。這種施加預(yù)緊的方法需要小排量較精準(zhǔn)的液壓缸輸送泵供油，并要保證整個(gè)系統(tǒng)的密封性。

在20世紀(jì)90年代初，日本和美國(guó)人使用壓電陶瓷和記憶合金對(duì)軸承施加預(yù)緊力，但由于當(dāng)時(shí)受制于壓電陶瓷和記憶合金相關(guān)技術(shù)的不成熟而未能獲得預(yù)期目標(biāo)。

韓國(guó)國(guó)立昌原大學(xué)的 Young Kug Hwang和 Choon Man Lee在2009年和2010年分別研制了通過(guò)離心力軸承預(yù)緊裝置[9]和電磁力軸承預(yù)緊裝置[10]。

如圖4所示，離心力預(yù)緊是在主軸旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，離心塊受自身離心力作用對(duì)V行塊進(jìn)行擠壓，進(jìn)而使V行塊對(duì)軸承內(nèi)圈施加預(yù)緊力。離心力預(yù)緊的缺點(diǎn)：軸承的溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大，這時(shí)需要減小預(yù)緊力的施加，然而離心力預(yù)緊方法卻增大預(yù)緊力，這使得軸承溫升極具升高；當(dāng)電主軸進(jìn)行粗加工輸出低速大扭矩，需要施加較大軸承預(yù)緊力時(shí)，離心力預(yù)緊方法卻減小施加的預(yù)緊力。

圖3 液壓預(yù)緊Fig.3 Hydraulic preload

圖4 離心力預(yù)緊Fig.4 Centrifugal force preload

如圖5所示，磁力預(yù)緊是電磁鐵對(duì)滑塊產(chǎn)生吸力，滑塊擠壓彈簧，彈簧對(duì)軸承施加預(yù)緊力。

1993 年浙江大學(xué)陳宗農(nóng)等人研制了通過(guò)液性塑料對(duì)軸承施加預(yù)緊力的預(yù)緊裝置[11]，如圖6所示。此種預(yù)緊方法的特點(diǎn)是調(diào)節(jié)范圍寬、控制響應(yīng)靈敏和精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造簡(jiǎn)便、成本低廉和通用性強(qiáng)，但是難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)。

圖5 電磁力預(yù)緊Fig.5 Electromagnetic force preload

圖6 液性朔料預(yù)緊Fig.6 Liquid-plastic preload

2008 年北京信息科技大學(xué)的楊慶東等人根據(jù)材料的不同熱特性研制了主軸預(yù)緊力自調(diào)節(jié)方法[12]，如圖7所示。兩軸承間的隔套是由兩種熱膨脹率相差較大材料制作的長(zhǎng)度不同的雙層隔套。在低溫時(shí),長(zhǎng)套筒1頂住軸承內(nèi)圈，對(duì)軸承施加預(yù)緊載荷。隨著轉(zhuǎn)速增加，溫度升高，熱膨脹率較大的短套筒2伸長(zhǎng)后超出長(zhǎng)套筒1的長(zhǎng)度，推動(dòng)軸承內(nèi)圈產(chǎn)生一定變位，使預(yù)緊力不會(huì)因發(fā)熱伸長(zhǎng)而增大。

圖7 雙層套筒主軸結(jié)構(gòu)Fig.7 Double sleeve spindle structure

圖8 液壓和彈簧復(fù)合預(yù)緊Fig.8 Complex hydraulic and spring preload

2006 年?yáng)|南大學(xué)的蔣書(shū)運(yùn)發(fā)明了預(yù)緊力可控智能化高速加工電主軸[13]，如圖8所示。它采用的是彈簧和液壓復(fù)合式預(yù)緊，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速低于某一閾值時(shí)，液壓缸加載，液壓和彈簧共同施加預(yù)緊力；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速高于某一閾值時(shí)，液壓缸卸載，只有彈簧施加預(yù)緊力。這種裝置只考慮了主軸轉(zhuǎn)速這單一因素。

2013 年上海大眾祥易機(jī)電技術(shù)有限公司徐小平等人發(fā)明了一種用于調(diào)節(jié)電主軸的預(yù)緊力的裝置[14]。徐小平等人發(fā)明的軸承預(yù)緊力裝置與蔣書(shū)運(yùn)的發(fā)明原理相同，不同的是徐小平等人將蔣書(shū)運(yùn)發(fā)明中的液壓缸換成了環(huán)形小液壓缸直接與軸承接觸，這樣就省去了蔣書(shū)運(yùn)發(fā)明中的直線軸承。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)軸承預(yù)緊力多年的研究，尤其是現(xiàn)代加工制造的迫切需求，表明軸承預(yù)緊力的施加正向著實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)方向發(fā)展。根據(jù)不同類(lèi)型機(jī)床的實(shí)際需求，軸承預(yù)緊力的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)有多種方法和形式。

目前有關(guān)高速主軸軸承預(yù)緊力自調(diào)節(jié)技術(shù)的研究幾乎都是基于主軸速度或軸承溫升某單一因素，然而由于實(shí)際加工生產(chǎn)的復(fù)雜性以及軸承預(yù)緊力的施加對(duì)主軸-軸承系統(tǒng)剛度、臨界轉(zhuǎn)速、振動(dòng)特性和軸承使用壽命都有重要影響，所以在確定尋找最佳預(yù)緊力影響因素時(shí)，要根據(jù)電主軸類(lèi)型來(lái)選擇主要因素，進(jìn)而綜合確定所施加預(yù)緊力的大小。

4 本實(shí)驗(yàn)室預(yù)緊力的研究方案

圖9 為本實(shí)驗(yàn)室軸承預(yù)緊力施加方案結(jié)構(gòu)圖，本方案是基于實(shí)驗(yàn)室已有的磨削電主軸進(jìn)行改進(jìn)而成的。電主軸前后端各配置一個(gè)軸承，前后軸承采用背對(duì)背配置。

壓電陶瓷是一種能夠?qū)C(jī)械能和電能互相轉(zhuǎn)換的功能陶瓷材料。它既能在機(jī)械能的作用下產(chǎn)生電能，同時(shí)也能夠在電場(chǎng)的作用下發(fā)生膨脹產(chǎn)生機(jī)械能，基于這一原理制作出了壓電陶瓷微位移驅(qū)動(dòng)器。2010年楊磊等人成功將其應(yīng)用到滾珠絲杠副預(yù)緊力的施加上面[15]。經(jīng)研究比較，本實(shí)驗(yàn)室最終確定選用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為電主軸軸承預(yù)緊的施力部件。本文的壓電陶瓷是由昆山攀特電陶科技有限公司專(zhuān)門(mén)定制，采用哈爾濱芯明天科技有限公司的HVA控制器作為壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。采用應(yīng)變儀和應(yīng)變片來(lái)間接檢測(cè)預(yù)緊力施加的大小。

確定施加軸承預(yù)緊力大小的相關(guān)參數(shù)有主軸轉(zhuǎn)速、主軸扭矩、主軸振動(dòng)和軸承溫升，而磨削電主軸多數(shù)用于零件的精加工，其影響加工精度和主軸速度提高的主要因素是主軸振動(dòng)和軸承溫升，所以本實(shí)驗(yàn)在確定最佳預(yù)緊力時(shí)主要考慮主軸振動(dòng)和軸承溫升兩個(gè)因素。

本實(shí)驗(yàn)室使用振動(dòng)檢測(cè)儀器和熱電偶分別檢測(cè)主軸前段振動(dòng)和軸承溫升，基于主軸前段振動(dòng)和軸承溫升來(lái)綜合確定所施加軸承預(yù)緊力的大小。

圖9 電主軸軸承預(yù)緊力施加結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of bearing preload applied of the motoried spindle

5 結(jié)論

軸承預(yù)緊力對(duì)軸系固有頻率、軸系剛度和軸承溫升具有重要影響，同時(shí)軸承預(yù)緊力施加大小的合適與否嚴(yán)重影響電主軸的使用性能?，F(xiàn)有軸承預(yù)緊力施加方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足需要，軸承預(yù)緊力的施加正向著實(shí)時(shí)智能調(diào)節(jié)方向發(fā)展。影響預(yù)緊力施加大小的因素很多，在選擇最佳預(yù)緊力時(shí)要根據(jù)電主軸加工類(lèi)型來(lái)選擇主要因素，進(jìn)而綜合確定所施加預(yù)緊力的大小。本實(shí)驗(yàn)室基于磨削電主軸進(jìn)行軸承預(yù)緊力實(shí)驗(yàn)研究，選用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為軸承預(yù)緊力的施加部件，并根據(jù)磨削電主軸實(shí)際工作情況選擇主軸轉(zhuǎn)速和軸承溫升作為確定軸承最佳預(yù)緊力的主要考慮因素。

[1]郭向東，王艷霞.軸承預(yù)緊力—系統(tǒng)固有頻率及跨距關(guān)系的研究[J].軸承，2013，4.

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[14]徐小平，周維綱，等.一種用于調(diào)節(jié)電主軸的預(yù)緊力的裝置[P].中國(guó):ZL 201310039670.X.2013,01,31.

[15]楊磊，綦耀光，范晉偉，劉新福.基于壓電陶瓷材料數(shù)控機(jī)床精密預(yù)緊系統(tǒng)研究[J].航空精密制造技術(shù)，2010，4.

Research on the Preload Technology of the Rolling Bearing for High Speed Spindle

LI Song-Hua，F(xiàn)ENG Ming-Hao
(School of Traffic and Mechanical Engineering,Shenyang Jianzhu University,Shenyang Liaoning 110168,China)

High-performance motorized spindle has many important technologies,such as Precision spindle bearing technology,motor drive and control technology,lubrication and cooling technology,bearing preload technology,in which bearing preload is one of the key technologies.The preload technology of high speed spindle-bearing is one of the key factors for high-performance motorized spindle.In the article, the reasons and the present situation at home and abroad of the research on the preload in bearings is elaborated,the reseatch in our laboratory on the bearing preload force is also elaborated.

motor spindle；bearing-preload；piezoelectric actuators

TG68

：Adoi:10.3969/j.issn.1002-6673.2014.03.063

1002－6673（2014）03－165－04

2014－02－20

國(guó)家自然科學(xué)基金（51375317）；遼寧省教育廳優(yōu)秀人才項(xiàng)目（LJQ2011058）

李頌華（1977-），男，沈陽(yáng)人，博士生，教授；研究方向：高速精密全陶瓷電主軸單元的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)。 獲國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利三項(xiàng)，實(shí)用專(zhuān)利三項(xiàng)。出版高水平學(xué)術(shù)著作一部，在國(guó)內(nèi)外重要期刊上發(fā)表論文四十余篇，其中被SCI收錄五篇、EI收錄十三篇；馮明昊（1988-），男，衡水人，碩士研究生。研究方向：高速主軸軸承預(yù)緊力智能調(diào)控的關(guān)鍵技術(shù)。已發(fā)表論文四篇。