三江學(xué)院 徐偉

高速運(yùn)行的主軸軸承會(huì)產(chǎn)生離心力，預(yù)緊裝置能夠幫助主軸軸承正常運(yùn)行。文章先介紹了研究預(yù)緊裝置的意義，然后介紹了主軸軸承的離心現(xiàn)象，接下來(lái)分別介紹了主軸軸承的離心力對(duì)軸承剛度和軸承發(fā)熱的影響，然后進(jìn)行預(yù)緊力應(yīng)用現(xiàn)狀的介紹，最后探討了本次實(shí)驗(yàn)的預(yù)緊裝置研究方案。希望本次研究能夠給予有關(guān)設(shè)計(jì)人員以啟發(fā)，進(jìn)一步研究更完善的預(yù)緊裝置配置。

主軸軸承；離心力；預(yù)緊裝置

主軸軸承離心力預(yù)緊裝置的研究

三江學(xué)院 徐偉

主軸是一種高速運(yùn)行的部件，這種部件應(yīng)用廣泛，在國(guó)防、電子等領(lǐng)域都有所涉及。高速運(yùn)行的主軸由于多方面原因會(huì)產(chǎn)生離心力，離心力的產(chǎn)生容易使得軸承失效，同時(shí)會(huì)對(duì)軸承各個(gè)部位產(chǎn)生復(fù)雜的影響。為了讓主軸軸承在高速運(yùn)行下既維持其自身優(yōu)勢(shì)，又能夠盡量減少磨損，需要進(jìn)行離心力預(yù)緊裝置的研究，這種研究對(duì)實(shí)現(xiàn)主軸高性能運(yùn)轉(zhuǎn)非常關(guān)鍵。下面將進(jìn)行本次研究的介紹。

1 研究預(yù)緊裝置的意義

研究預(yù)緊裝置之前，必須了解這樣的情況：電主軸使用的軸承是一種角接觸軸承，然而，由于離心力的影響，在實(shí)際情況下，軸承的滾珠與軸承的內(nèi)外圈之間會(huì)交替產(chǎn)生間隙，而不是時(shí)刻緊密接觸的。這種間隙的產(chǎn)生會(huì)造成軸承臨界轉(zhuǎn)速和剛度的降低，同時(shí)也會(huì)使得軸承振動(dòng)增加，對(duì)軸承的使用壽命有著嚴(yán)重的影響。面對(duì)這種情況，就需要尋求解決方案，研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)主軸軸承施加合適的預(yù)緊力，能夠保證滾珠和軸承內(nèi)外圈緊密接觸，能夠提高軸承運(yùn)行穩(wěn)定性、軸承剛度以及臨界轉(zhuǎn)速，同時(shí)在使用時(shí)更加精確。本實(shí)驗(yàn)對(duì)預(yù)緊裝置進(jìn)行研究就是出于以上目的。

過(guò)去，已經(jīng)有人對(duì)這個(gè)課題進(jìn)行了研究，研究了主軸固有頻率、主軸剛度、主軸發(fā)熱情況和軸承預(yù)緊力之間的聯(lián)系。研究表明：在系統(tǒng)條件不變的情況下，軸承預(yù)緊力越大，則固有頻率越大；若是預(yù)緊力保持不變，則軸承支承跨距越大，固有頻率越大；軸承的預(yù)緊力越大，軸承剛度越大，且剛度增長(zhǎng)速率會(huì)降低；轉(zhuǎn)速條件不變時(shí)，軸承預(yù)緊力越大，軸承溫度越高，若是預(yù)緊力不變，則軸承溫度也會(huì)隨轉(zhuǎn)速改變。

主軸軸承低速運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行粗加工時(shí)，要求輸出大轉(zhuǎn)矩，這時(shí)需要較大的預(yù)緊力來(lái)保證軸承運(yùn)行的剛度、振動(dòng)等；進(jìn)行高速運(yùn)轉(zhuǎn)精加工時(shí)，要求輸出大功率，這時(shí)為了保證主軸軸承的溫度不會(huì)上升很多，需要較小的預(yù)緊力。由此可見(jiàn)，預(yù)緊力的施加是要根據(jù)不同狀況調(diào)整的，合適的預(yù)緊力能夠?qū)χ鬏S軸承的使用性能有較好的提升，本次實(shí)驗(yàn)就是研究如何利用預(yù)緊裝置施加合適的預(yù)緊力。

2 主軸軸承離心現(xiàn)象

各類(lèi)電主軸支承軸承中，滾動(dòng)軸承應(yīng)用的最為廣泛，特別是這一類(lèi)型中的高速角接觸球軸承，本次實(shí)驗(yàn)就是針對(duì)這一類(lèi)型的軸承進(jìn)行研究的。

由于多種因素，主軸軸承上會(huì)發(fā)生離心現(xiàn)象，離心現(xiàn)象產(chǎn)生的原因有可能是主軸制造時(shí)形狀不夠?qū)ΨQ(chēng)、材料不夠均勻，有可能是在加工配置時(shí)發(fā)生了失誤導(dǎo)致中心不在旋轉(zhuǎn)中心上，容易發(fā)生質(zhì)量上的分布不均，而高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力[1]，還有可能是主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的滾珠也會(huì)因?yàn)檫@一作用而自身發(fā)生旋轉(zhuǎn)從而產(chǎn)生了離心作用。

總的來(lái)說(shuō)，主軸上的離心作用可以分為三種類(lèi)型：第一種，軸承上的滾珠旋轉(zhuǎn)受到離心力影響最終產(chǎn)生了徑向離心；第二種，轉(zhuǎn)子等旋轉(zhuǎn)的部位自身旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生離心力，受到自身的力的影響而離心膨脹[2]；第三種，制造時(shí)，轉(zhuǎn)子的質(zhì)量不均勻從而產(chǎn)生了離心作用。隨著主軸轉(zhuǎn)速逐漸提高，很多種離心現(xiàn)象的產(chǎn)生原因都?xì)w結(jié)為了前兩種。產(chǎn)生的離心作用會(huì)使得主軸工作時(shí)產(chǎn)生很大誤差，同時(shí)加速主軸的磨損，使得主軸的壽命不長(zhǎng)。

3 離心力的影響

結(jié)合本次的研究，筆者發(fā)現(xiàn)主軸軸承的離心力主要是對(duì)以下兩個(gè)方面有所影響。

3.1 對(duì)軸承剛度影響

支承軸承是電主軸非常關(guān)鍵的重要部件，它會(huì)影響到電主軸的運(yùn)行情況。當(dāng)電主軸在不同的情況下運(yùn)行時(shí)，很難確保都能擁有合適的軸承剛度。這是因?yàn)?，?dāng)主軸軸承高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，其剛度會(huì)受到多重因素的影響，例如軸承類(lèi)型、轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力等等。這種影響如果范圍過(guò)大就會(huì)對(duì)主軸本身產(chǎn)生運(yùn)轉(zhuǎn)上的影響。在低速條件下，離心力的作用不是很明顯，然而，一旦高速運(yùn)轉(zhuǎn)，離心作用會(huì)快速增加，對(duì)軸承的剛度也將改變到很大的范圍，對(duì)軸承剛度造成重大影響。

主軸的運(yùn)動(dòng)特性受預(yù)緊力大小的影響，預(yù)緊力也是判斷主軸特性的重要參數(shù)之一。施加適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力有多種好處，例如可以減少內(nèi)外接觸角的差值，可以增加主軸軸承的壽命。然而，必須明確的是，預(yù)緊力的大小是合適的，如果預(yù)緊力太大，容易使軸承內(nèi)外圈與滾動(dòng)體之間的接觸應(yīng)力過(guò)大而摩擦嚴(yán)重，會(huì)影響主軸的轉(zhuǎn)速、降低主軸壽命[3]。實(shí)驗(yàn)中可以發(fā)現(xiàn)，預(yù)緊力會(huì)由多種形式產(chǎn)生，給定的初始預(yù)緊力只占到其中的一部分，還有內(nèi)圈、滾動(dòng)體離心所產(chǎn)生的預(yù)緊力。

在實(shí)際運(yùn)行情況下，由于高速的運(yùn)轉(zhuǎn)，離心力會(huì)增大、預(yù)緊力也會(huì)產(chǎn)生，這種種因素會(huì)造成接觸角發(fā)生變化。變化產(chǎn)生的后果與接觸角大小有關(guān)，如果，接觸角大于8.9度，那么隨著轉(zhuǎn)速增加，軸承剛度會(huì)減小，并且減小的速度與接觸角有關(guān)，接觸角越大，減小速度越快[4]。

3.2 對(duì)軸承發(fā)熱影響

軸承發(fā)熱會(huì)對(duì)主軸的運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響，軸承發(fā)熱產(chǎn)生的原因有很多。而生熱現(xiàn)象是由于摩擦造成的，自旋摩擦、潤(rùn)滑液的粘性摩擦等等都會(huì)產(chǎn)生摩擦力矩。摩擦生熱，然而如果產(chǎn)生的熱量沒(méi)有被很好地傳遞出去，或者是熱量產(chǎn)生過(guò)快，使得溫度急劇增加就容易使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)不穩(wěn)，也會(huì)造成軸承上膨脹不均勻，這加速了生熱現(xiàn)象的產(chǎn)生，最終會(huì)使得熱預(yù)緊產(chǎn)生。明確地說(shuō)，這種現(xiàn)象分四個(gè)步驟依次產(chǎn)生，先是摩擦生熱，然后熱傳遞，接下來(lái)發(fā)生熱膨脹，最后就是熱預(yù)緊力產(chǎn)生，并且這種熱預(yù)緊力的產(chǎn)生還與轉(zhuǎn)速有關(guān)，轉(zhuǎn)速越大，熱預(yù)緊力越大，溫度也影響很大，溫度越大，熱預(yù)緊力越大。而熱膨脹也會(huì)對(duì)主軸產(chǎn)生影響，各部件之間的熱膨脹相互耦合容易對(duì)軸承預(yù)緊力和剛度產(chǎn)生影響。

在主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，容易使摩擦作用加劇，軸承發(fā)熱增加，而產(chǎn)生的熱量又會(huì)使軸承的剛度和預(yù)緊力減小，導(dǎo)致更多的熱量產(chǎn)生，最終引發(fā)更大的熱膨脹，而這又會(huì)使軸承剛度提高。由這種關(guān)系可以看出，高速運(yùn)轉(zhuǎn)和熱膨脹之間對(duì)軸承剛度的影響上可以相互補(bǔ)償。

高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電主軸由于轉(zhuǎn)速的提高產(chǎn)生的摩擦引發(fā)軸承生熱，這種生熱效應(yīng)使得軸承受到影響，溫度的快速提高導(dǎo)致軸承失效。這種主軸失效區(qū)別于傳統(tǒng)的由于預(yù)緊力過(guò)大而產(chǎn)生摩擦最終導(dǎo)致軸承發(fā)熱的主軸。

4 預(yù)緊力應(yīng)用現(xiàn)狀

目前的高速主軸中預(yù)緊應(yīng)用時(shí)主要是采用定位和定壓預(yù)緊的方式。其中，定位預(yù)緊指的是通過(guò)對(duì)軸承內(nèi)外圈之間的寬度調(diào)整來(lái)進(jìn)行預(yù)緊力的施加，這種施加方式的優(yōu)點(diǎn)在于軸承剛度強(qiáng)且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，然而，也會(huì)有缺陷，若是軸承上的零件發(fā)熱會(huì)使內(nèi)外圈寬度發(fā)生變化，最終預(yù)緊載荷發(fā)生變化。定壓預(yù)緊指的是通過(guò)施加合適的彈簧力來(lái)進(jìn)行預(yù)緊力的施加，這種施加方式的優(yōu)勢(shì)在于軸承剛度比彈簧剛度遠(yuǎn)大，主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，彈簧幾乎可以維持不變，然而，缺陷就在于彈簧預(yù)緊剛性太差。

預(yù)緊力的大小的確定要兼顧低速運(yùn)轉(zhuǎn)和高速運(yùn)轉(zhuǎn)的條件，因此，若只是按照傳統(tǒng)的方式進(jìn)行預(yù)緊是不能滿(mǎn)足要求的，目前有待研究的是能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)的預(yù)緊裝置。目前國(guó)內(nèi)外有很多研究組對(duì)預(yù)緊裝置進(jìn)行研究：2008年，來(lái)自北京信息科技大學(xué)的楊慶東小組研究出了主軸的預(yù)緊力自動(dòng)調(diào)節(jié)法，這種方法的研究是根據(jù)材料的不同特性來(lái)的[5]；2006年，來(lái)自東南大學(xué)的蔣書(shū)運(yùn)研究出了可控智能化高速加工電主軸[6]；2013年，來(lái)自上海大眾祥易機(jī)電技術(shù)有限公司的徐小平研究小組研究出了可進(jìn)行主軸預(yù)緊力調(diào)節(jié)的裝置[7]。

由以上種種研究可以看出，預(yù)緊力研究方向?qū)⑾蛑悄芑较虬l(fā)展，然而，調(diào)節(jié)過(guò)程中，仍然有很多需要考慮，這是因?yàn)?，預(yù)緊力的施加將對(duì)主軸振動(dòng)、臨界轉(zhuǎn)速、軸承剛度等等產(chǎn)生影響，因此，合適的預(yù)緊力的確定將是研究的難點(diǎn)之一。

5 預(yù)緊裝置研究方案

本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行預(yù)緊裝置研究時(shí)，選用的電主軸是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室中已有的電主軸進(jìn)行改進(jìn)研制出來(lái)的，電主軸的前后都有軸承配置。本實(shí)驗(yàn)中，重點(diǎn)進(jìn)行了壓電陶瓷的應(yīng)用。這種壓電陶瓷材料能夠?qū)崿F(xiàn)電能、機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)化，基于這種特點(diǎn)，研制出了壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，這種驅(qū)動(dòng)器在電能條件下，可以產(chǎn)生機(jī)械能，而在機(jī)械能條件下又能產(chǎn)生電能，本次實(shí)驗(yàn)就將這種驅(qū)動(dòng)器作為了預(yù)緊施力。

決定預(yù)緊力大小的有很多參數(shù)，例如：主軸轉(zhuǎn)速、主軸振動(dòng)、軸承發(fā)熱。而對(duì)主軸加工的精度以及主軸的轉(zhuǎn)速情況影響最大的主要是主軸的振動(dòng)以及軸承的升溫情況，因此，本次實(shí)驗(yàn)主要是針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行的研究。本次實(shí)驗(yàn)中，對(duì)振動(dòng)情況進(jìn)行檢測(cè)的是振動(dòng)檢測(cè)儀，對(duì)軸承升溫情況進(jìn)行檢測(cè)的是熱電偶。通過(guò)對(duì)振動(dòng)及升溫情況的確定來(lái)綜合確定需要施加的預(yù)緊力大小。

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源電壓來(lái)調(diào)節(jié)施加在軸承上的預(yù)緊力的大小，預(yù)緊力大小的具體參數(shù)是通過(guò)應(yīng)變片測(cè)量的。實(shí)驗(yàn)的具體操作步驟為：分別對(duì)軸承施加100N、200N、300N、400N的預(yù)緊力，分別檢測(cè)其在 1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)情況和升溫情況。繪制實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖形如圖1、圖2所示。

圖1 振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力關(guān)系圖

圖2 升溫、轉(zhuǎn)速、預(yù)緊力關(guān)系圖

對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

（1）主軸振動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明:主軸轉(zhuǎn)速增加則主軸的振動(dòng)隨之增加，此時(shí)應(yīng)增大軸承預(yù)緊力使主軸振動(dòng)減小。

（2）升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:軸承溫度隨著主軸轉(zhuǎn)速和軸承預(yù)緊力的增加而增加，因此在增大軸承預(yù)緊力減小主軸振動(dòng)的同時(shí)應(yīng)綜合考慮軸承升溫的情況，以保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，主軸軸承離心力會(huì)對(duì)軸承的剛度及發(fā)熱情況有影響，而預(yù)緊力施加的合適與否會(huì)影響到軸承運(yùn)行的性能好壞。軸承預(yù)緊力會(huì)對(duì)軸承剛度、發(fā)熱以及固有頻率有所影響。而目前安裝的預(yù)緊裝置的預(yù)緊力施加方案已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足現(xiàn)代化的需求了，為了讓預(yù)緊裝置進(jìn)一步維護(hù)主軸軸承正常運(yùn)行，必須朝著智能調(diào)控的方向研究。本次實(shí)驗(yàn)考慮了很多對(duì)軸承預(yù)緊力的影響因素，然后進(jìn)行綜合評(píng)判，以得出能施加最佳預(yù)緊力的預(yù)緊裝置。

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[2]寧峰平,姚建濤,安靜濤等.減緩空間機(jī)械臂熱預(yù)緊力的研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2017,53(11):54～60.

[3]齊向陽(yáng),王鶴宇.基于壓電陶瓷與柔性機(jī)構(gòu)的高速機(jī)床主軸預(yù)緊控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,14(01):100～107.

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[5]楊洋,程剛剛.高速電主軸軸承預(yù)緊的分析研究[J].機(jī)械制造,2017,55(03):50～51.

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徐偉，男，1982年出生，江蘇鹽城人，學(xué)士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)與制造。