轴承的预载与刚性
预载或称预紧对机床轴承而言是一种关键的应用技术。常用的圆柱滚子轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、角接触推力球轴承等,采用预载以提高性能,增强主轴的可靠性。
所谓预载,系预先建立于轴承内部的载荷,让轴承的滚动体与滚道相互挤压,产生弹性变形。这种弹性变形,相对于有游隙存在的轴承,弹性变形量愈大,则轴承的负游隙也愈大,也就是预载荷愈大。适当的预载有助于提高轴承旋转精度,提高主轴的临界转速和刚度,调整载荷分布,避免滚道擦伤,降低温升,提高轴承的寿命,提高轴承的阻尼和降低噪声等。
所谓轴承的刚度可称之谓轴承抵抗在外载荷作用下变形的能力,轴承的刚性用刚度来表示。轴承在实际工作时,通常受到径向载荷,轴向载荷和力矩的联合作用,与之对应轴承的内、外圈间会产生径向、轴向的相对线位移和相对角位移。因而,可将轴承的刚度分为径向刚度,轴向刚度和角刚度三类。主轴受力时,轴端的挠曲量为主轴挠曲与轴承挠曲的总和。因此,提高轴承的刚度,主轴的组件刚度亦会提高。
1.角接触球轴承
轴承的预载荷通常分为轻(L)、中(M)、重(H)三个級别,如果用户有特殊要求,BEM也提供具有特殊预载的精密轴承。轴承的预载分定位预载和定压预载两种,如图所示。
轴承的预载方式
定位预载的轴承在使用过程中支承间的相对位置固定不变。角接触球轴承高速旋转时,由于离心力的作用,滚动体有“外抛”的趋势,从而使轴承内外套圈有轴向相对移动的倾向,但由于其位置已相对固定,因此其结果是轴承的预载加大,摩擦发热加剧。另外。工作温度的变化引起轴及轴承座尺寸以及两轴承间定位部件尺寸的变化,也会影响到轴承的预载状态。所以采用定位预载方式时应注意预载的变化对工作性能的影响。
定压预载是利用螺旋弹簧、蝶型弹簧等预载裝置,使轴承在支承部位得到合适的预紧。由于弹簧等预载的刚性一般比轴承的刚性小得多,因此经定压预载后的轴承,其相对位置在使用过程中会有所变化,并且预载的大小由预载装置本身决定,其值是不变的,另外轴承支承的预载程度不受工作温度的影响。
轴承的预载取决于轴承的尺寸系列、接触角、尺寸大小等。成对配置的背对背、面对面轴承的预载值和轴向刚度,在轴承尺寸表中列出。多联配置轴承的预载荷值应乘以相对应配置的预载系数。
多联配置轴承的预载系数
预载选择的原则
如前所述,预载力越大,则刚度有所提高,但一定转速下的温升也越高。故负载重, 要求刚度高,转速较低或允许的温升较高(如普通精度机床)时,应选较大的预载;反之则应选较小的预载。一般中等转速,中等载荷的精密车床、内圆磨床、齿轮磨床、螺纹磨床、铣床、加工中心等主轴轴承常采用中预载;而对于高速、轻载或允许温升较低的精密、高精度机床主轴如内圆磨床、坐标镗床、铣床加工中心等常选用轻预载。这只是宏观的、定性的。在实际使用中,还需进一步分析,计算和试验研究,以寻找最佳预载,并调整至适用的预载。
极限轴向载荷
在相互预载的轴承组中,极限载荷Pd相当于扣除预载荷(Fa0)总耗损的轴向外载荷。超过此极限,预载轴承则因球和滚道之间失去接触而在轴承自身内部产生滑动而迅速破坏。轴承组极限载荷可用下表计算:
轴承组的极限轴向载荷计算
注1:或其他对称型配置
2:图表α1、α2为接触角
轴向刚度
轴承的轴向刚度Ra值(N/ μm ) 表示产生1μm轴向变形的载荷大小,轴向刚度是预载荷和接触角的函数且随两者的增大而增大。
Ra可定义—在等于预载荷(Fa0)的轴向力作用下,极限轴向载荷Pd和预载轴承的轴向变形之比。只要外载荷不超过极限轴向载荷Pd,轴向刚度Ra为常值。
径向刚度
轴承的径向刚度是接触角和预载荷的函数,它是随接触角的增大而減小,且不恒定,并随轴向载荷与径向载荷之比值变化而变化。在主轴轴端测得的径向变形实际上是轴承和轴两者变形之和,而且还是轴承间距与载荷作用点之间比率的函数。要正确测定主轴的径向刚度就必须确定变形,考虑联合载荷作用下轴承和轴的特性。
成对轴承(背对背或面对面)的径向刚度Rr可用下面的经
α=15° Rr=6Ra
α=25° Rr=2Ra
超过2个轴承以上轴承组,其刚性数值会上升。可依据下表o
轴承组的轴向刚度
*见轴承尺寸表
轴承组的径向刚度
*见轴承尺寸表
2.圆柱滚子轴承
圆柱滚子轴承的预载采用径向预载的方式,使滚动体的外接圆直径略大于外圈滚道的直径,从而在轴承内部产生过盈。对内圈带锥孔的圆柱滚子轴承,通过改变内圈在轴锥面上的位置,使轴承内圈得到径向扩张,进而改变轴承的径向游隙,实现轴承的预载。
对高速圆柱滚子轴承,轴承的预载(即过盈量)推荐取0~5μm,当轴承转速较低时,预载可适当增加。可根据轴承的尺寸、精度以及工作条件,如转速、载荷、润滑状况、允许温升等,通过试验确定轴承的最佳预载。
圆锥孔双列圆柱滚子轴承预载示意图
3.双向角接触推力球轴承
两个轴圈之间的间隔套,修磨隔套1的厚度就能形成间隙,以保证轴承在安装之后将得到适宜的轴向预载荷。其预载不可太大以免扭曲间隙套而造成更大的预载。
双向角接触推力球轴承预载示意图
4.圆锥滚子轴承
对于中型的主轴,圆锥滚子轴承通常都调到轴向间隙0~10μm之间,如果转速低则可施大预载。
如果使直径、轴承间距与接触角形成某种关系来设计主轴组件,则预载可以在操作中随时保持一定,而且大大降低预载过大的危险。
5.滚珠丝杠用角接触推力球轴承
60°接触角的角接触推力球轴承可以承受轴向载荷为主的联合载荷。此类轴承与角接触球轴承一样,常配对或多个成组使用并施加预载。预载荷及轴向刚度见轴承尺寸表。轴承组的轴向刚度数值会上升,可依据下表。
轴承组的轴向刚性
*见轴承尺寸表