高速、高刚度和高精度是现代机床主轴发展的基本的方向,为此,对与机床主轴相配套的滚动轴承提出了严格的要求:轴承尺寸精度及旋转精度要高,尽量使主轴非重复性径向跳动(NRRO)值小,以适应高速切削要求.用角接触球轴承取代圆柱滚子轴承和双向推力球轴承来承受轴、径向联合载荷,并适应高速切削要求.减小轴承径向截面尺寸,以减小主轴系统的体积,并有利于轴承的热传导.尽量采用小而多的滚动体,以减小高速运转惯性力,并且提高轴承的刚度.采用高强度、轻质保持架,选择合适的引导方式,以适应高速旋转.尽量采用配对轴承,选择合理的预紧力,以保证轴承的旋转精度与刚度.其中轴承的合理配对与预紧,对机床的性能来说至关重要,本文对此进行深入的探讨.
　　径向预紧与轴向预紧的比较为传统机床主轴支承系统的典型配置结构,前支承为带锥度(1:12)的双列圆柱滚子轴承加双向推力角接触球轴承.圆柱滚子轴承用以承受径向载荷,双向推力球轴承承受轴向载荷.后支承也采用内径带锥度的双列圆柱滚子轴承.安装时,前后支承采用锥面配合进行径向预紧,预紧力的大小由锁紧螺母调整.径向预紧具有预紧力可调、配合精度高、配合量对预紧影响小、预紧对温升影响小等优点.但是径向预紧存在支承部位带锥度、加工难度大、精度不易保证、锥面配合吻合度低、预紧量难以掌握等问题.轴向预紧与径向预紧相比,支承部位为柱面,精度高,支承轴承的精度也高,加之预紧量和配对方式是在轴承生产厂预置好的,处于最优状态,能够保证具有较高的精度和刚度,另外,对于方向不定的附加载荷具有良好的适应性.因此,现代高速、高精度机床的主轴支承多采用角接触球轴承轴向预紧.
　　预紧与外载荷的关系轴向预紧一般是通过在两套轴承的内圈或外圈之间配置隔套或在轴承制造时使内圈与外圈有一定的高度差.成组配对安装时,轴承径向零游隙且无载荷条件下,内圈端面形成间隙2δ,施加预载荷时,在滚动体与内外圈接触处产生弹性变形,消除了轴承间隙(即高度差),从而产生预紧力.这样可提高轴承的回转精度和轴承的刚性,降低主轴的振动.轴承在实际工作中一般都承受轴、径向联合载荷,高速时,还要考虑离心力的影响.当径向载荷远大于轴向载荷时,外界径向载荷FR和外界轴向载荷PR的合力P由钢球3、4、5、6、7受到的反作用载荷形成的合力来平衡.载荷P使轴承内外圈与钢球接触点产生变形,从而导致内圈与外圈之间产生径向和轴向相对位移,且径向位移大于轴向位移,此时,径向外载荷对主轴的旋转精度影响很大,为了提高主轴的刚性和旋转精度,应该采用较大的预紧力,预紧力的最大值以联合载荷作用下使80%左右的滚动体都受载为宜.
　　当轴向载荷远大于径向载荷时,载荷分布区域扩展到整个圆周上,所有钢球都受载,尽管每个钢球上的载荷不尽相同,但所有钢球的反作用载荷的合力与外力P平衡,此时,轴承内外圈之间的相对轴向位移增加,径向位移减小.值得注意的是轴向外载荷有可能造成与之相配对的另一套轴承(DB、DF配置方式)卸载.常采用定压预紧,用弹簧自动补偿轴向间隙.在承受径向载荷时,轴承按DF方式配对比按DB方式配对的径向刚性好.但是在高速时,则不适合于采用DF方式配对.
　　一般而言,机床开机后,主轴的温升比轴承的温升快,在系统达到热平衡后,轴的温度仍然比轴承座高10~20℃,轴承内圈与外圈的温差也在5~10℃之间,在机床主轴快速升温阶段和系统热平衡后,轴向热膨胀量总比外圈的周向膨胀量大,对于按DF方式配对的轴承,轴和轴承座的热膨胀差导致了附加轴向力,而内外圈的热膨胀差使工作接触角减小,引起附加径向和轴向力,进而有可能造成轴承卡死.所以高速主轴系统尽量避免选用DF配对方式.在以DB配对方式安装时,轴的膨胀伸长有使轴承的预紧量减小,进而使预载荷减小,使轴承卸载的趋势,与内外圈温差引起的附加载荷方向相反.如果设计得当,这两部分载荷可以完全抵消,而保持合理的预紧力.因此DB配置比DF配置更适合于高速机床主轴.
　　结论对于高速、高精度机床的主轴轴承,采用角接触轴承及轴向预紧方式优于由圆柱滚子轴承和双向推力球轴承组合的轴承结构及径向预紧方式.当径向载荷远大于轴向载荷时,一般采用较大的预紧力;当轴向载荷远大于径向载荷时,一般采用较小的预紧力.轴承的DB配置方式比DF配置方式更适于高速机床主轴.

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