一种机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法与流程

本发明涉及机床主轴性能测试领域，具体是一种机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法。

背景技术：

机床主轴轴承的预紧力直接影响主轴系统的静力学特性、热力学特性和动力学特性。为了提高主轴系统的刚度和旋转精度等级，需要施加初始预紧力来减少滚动轴承大间隙引起的振动和噪声；但是，当通过增加预紧力来提高滚动轴承刚度时，滚珠和内外轨道的高接触压力会使油膜损坏且引起咬粘，从而降低轴承寿命，特别是当主轴高速旋转时，由于离心力和发热作用的影响，轴承内部载荷急剧增大，过大的预紧力会缩短轴承的寿命。因此，在实际运行过程中，如何快速、准确地根据工况条件动态调整主轴轴承预紧力大小尤为重要。

目前，对主轴轴承预紧力调整的方法主要有：利用液压装置调节预紧力、利用离心装置调节预紧力和利用可调整机械结构(调节螺栓)调节预紧力等。液压调整装置结构复杂、成本高，并且在实际安装时该装置与主轴系统的集成和连接较困难，且液压系统在实际使用中易发生液体泄露等问题。使用弹性元件(弹力环)在主轴高速运转离心力作用下调节轴承预紧力，可以随着转速变化实时调节，结构简单，但是该方法不易精确控制，预紧力的调节精度低。

申请号201510352514.8公开了一种电主轴外部可调定压预紧装置，包括壳体、轴承支承系统和预紧调节系统；轴承支承系统由轴承、内外隔圈、轴承座、直线轴承、紧固螺栓等构成；预紧调节系统由弹簧挡板、螺栓、连接板、调节螺栓构成；弹簧挡板安装在壳体内部，弹簧挡板耳部通过螺栓连接到连接板上，调节螺栓通过连接板中孔伸出电主轴后盖；工作时通过旋转调节螺栓改变内部弹簧挡板对弹簧的作用力，从而实时调节施加给轴承的预紧力。该方法结构设计简单，避免了外置液压调节装置，实用性强，但是该方法只能依靠经验定性判断特定工况下预紧力是否合适。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法。该方法只需控制电磁铁外部线圈通电电流的大小，就可以改变电磁力的大小，最终实现可动态调整轴承预紧力，使主轴在连续完成一系列低速大转矩切削运动和高速大功率小转矩切削运动时，在高速段温度许可的范围内尽量提高轴承预紧力，在低速段须考虑轴承的疲劳寿命，有效减小轴承内部发热，提高主轴旋转精度和寿命。

本发明解决所述装置问题的技术方案是，提供一种机床主轴轴承预紧力的动态调整装置，主轴系统包括主轴、内套筒、外套筒、壳体、前轴承和后轴承；所述前轴承和后轴承同向面对面安装在主轴中部，内套筒和外套筒安装在前轴承和后轴承之间，内套筒分别与前轴承和后轴承的内圈接触，外套筒分别与前轴承和后轴承的外圈接触；前轴承与后轴承的轴肩与壳体固定；其特征在于该装置包括力传感器、固定部件、电磁铁、镶套、移动部件、端盖、垫片、定压预紧弹簧和支撑块；

所述固定部件与主轴连接，固定部件与壳体之间存在间隙；所述支撑块与主轴连接；所述电磁铁与镶套固定连接，形成组合体；所述镶套嵌套在主轴上，并与固定部件连接；所述垫片安装在后轴承外圈上；所述移动部件插入到支撑块和镶套之间，两表面分别与支撑块和镶套接触，移动部件可以沿主轴轴向移动，镶套的另一端是移动部件向靠近后轴承方向运动的极限位置；所述定压预紧弹簧穿过固定部件的通孔，一端与垫片接触，另一端与移动部件接触；所述端盖与壳体连接，是移动部件沿远离轴承方向运动的极限位置；所述力传感器安装在后轴承外圈上，与垫片接触。

本发明解决所述方法问题的技术方案是，提供一种机床主轴轴承预紧力的动态调整方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将固定部件安装到主轴上，固定部件与主轴紧密连接；

(2)将支撑块与主轴紧密连接，确保不发生滑动；

(3)将电磁铁与镶套紧密连接，形成组合体，再将组合体嵌套在主轴上，当镶套与固定部件接触时，旋转组合体，使镶套一端上的螺纹与固定部件的卡槽上的螺纹紧密连接，拧紧后，组合体与壳体之间有间隙，且与固定部件等高；

(4)将定压预紧弹簧放入固定部件的通孔中，定压预紧弹簧的一端与垫片接触，定压预紧弹簧的另一端留有余量；

(5)将移动部件从支撑块和镶套之间的缝隙插入，确保移动部件与定压预紧弹簧接触，移动部件可以沿主轴轴向移动，镶套另一端是移动部件向靠近后轴承方向运动的极限位置；

(6)拧上端盖，端盖与壳体采用螺纹连接，端盖是移动部件向远离后轴承方向运动的极限位置；

(7)安装完成后，根据公式1，计算出预紧力；

式中：kr是轴承刚度，z是轴承滚动体数目，db是轴承滚动体直径，α是角接触球轴承的接触角，fα是轴承预紧力；

(8)根据计算出的预紧力大小，通过公式2换算得出所需电流的大小，给电磁铁线圈通电，电磁铁产生吸引力，移动部件压紧定压预紧弹簧，定压预紧弹簧把预紧力传递给垫片，力传感器对当前预紧力进行测量，并实时显示当前预紧力的大小，实现动态调整；

式中：fα是轴承预紧力，b是磁感应强度，μ0是自由空间磁导率，s是磁极面面积，n是线圈匝数，i是线圈通电电流，g是气隙。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)只需控制电磁铁外部线圈通电电流的大小，就可以改变电磁力的大小，最终实现可动态调整轴承预紧力，使主轴在连续完成一系列低速大转矩切削运动和高速大功率小转矩切削运动时，在高速段温度许可的范围内尽量提高轴承预紧力，在低速段须考虑轴承的疲劳寿命，有效减小轴承内部发热，提高主轴旋转精度和寿命；

(2)由于电流大小可知，可以准确得到轴承预紧力大小和电流的关系，从而实现对轴承预紧力的精准控制；

(3)固定部件、移动部件以及电磁铁等装置核心部件都集成安装在装置内部，与主轴系统连接紧密，避免了液压类装置的连接困难以及液体泄漏的问题；

(4)通过控制电流大小替代手动操作机械结构来调整轴承预紧力，力传感器显示施加的预紧力的大小，避免了只依靠操作者的经验来判断特定工况下轴承预紧力是否合适；

(5)由于电磁感应响应灵敏，该装置可快速改变施加的预紧力的大小，可以在加工过程中对轴承预紧力做出动态调整；

(6)该装置结构简单，便于操作，实用性强，避免了液压系统等装置的复杂构成。

附图说明

图1为本发明机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法一种实施例的装置整体结构示意图；

图2为本发明机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法图1的局部放大图；

图3为本发明机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法图2的a-a方向的剖视图；(图中：1、主轴；2、内套筒；3、外套筒；4、壳体；5、力传感器；6、固定部件；7、电磁铁；8、镶套；9、移动部件；10、前轴承；11、后轴承；12、端盖；13、垫片；14、定压预紧弹簧；15、后轴承外圈；16、后轴承内圈；17、轴承滚动体；18、支撑块)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种机床主轴轴承预紧力的动态调整装置(参见图1-3，简称装置)，主轴系统包括主轴1、内套筒2、外套筒3、壳体4、前轴承10和后轴承11；所述前轴承10和后轴承11为一对角接触球轴承，同向面对面安装在主轴1中部，内套筒2和外套筒3安装在前轴承10和后轴承11之间，内套筒2分别与前轴承10和后轴承11的内圈接触，外套筒3分别与前轴承10和后轴承11的外圈接触，保护主轴1同时对前轴承10与后轴承11进行定位；前轴承10与后轴承11的轴肩与壳体4固定；其特征在于该装置包括力传感器5、固定部件6、电磁铁7、镶套8、移动部件9、端盖12、垫片13、定压预紧弹簧14和支撑块18；

所述固定部件6与主轴1连接，不发生滑动，固定部件6与壳体4之间存在间隙；所述支撑块18与主轴1连接，不发生滑动；所述电磁铁7与镶套8固定连接，形成组合体；所述镶套8嵌套在主轴1上，并通过螺纹与固定部件6连接，用来补偿移动部件9与电磁铁7之间因磨损导致的尺寸误差，并对主轴1起到保护的作用；所述组合体与壳体4之间存在间隙，且与固定部件6等高；所述垫片13安装在后轴承外圈15上，用来把定压预紧弹簧14产生的载荷传递到后轴承11上；所述移动部件9插入到支撑块18和镶套8之间，两表面分别与支撑块18和镶套8接触，移动部件9可以沿主轴1轴向移动，镶套8的另一端是移动部件9向靠近后轴承11方向运动的极限位置；所述定压预紧弹簧14穿过固定部件6的通孔，一端与垫片13接触，另一端与移动部件9接触，用来对后轴承11施加载荷；定压预紧弹簧14的压缩量是移动部件9与垫片13之间距离的变化量；所述端盖12与壳体4通过螺纹连接，用于对移动部件9进行定位，是移动部件9沿远离轴承方向运动的极限位置；所述力传感器5安装在后轴承外圈15上，与垫片13接触，用来测量预紧力的大小。

所述电磁铁7外部绕有线圈，通电后产生电磁力；所述移动部件9为铁磁质，可被电磁铁7磁化，受电磁力可沿轴向移动。

本发明同时提供了一种机床主轴轴承预紧力的动态调整方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将固定部件6安装到主轴1上，确保固定部件6与主轴1紧密连接，安装好以后，固定部件6与壳体4之间存在间隙；

(2)将支撑块18与主轴1紧密连接，确保不发生滑动；

(3)将电磁铁7与镶套8紧密连接，形成组合体，再将组合体嵌套在主轴1上，并缓慢推入，当镶套8与固定部件6接触时，缓慢旋转组合体，使镶套8一端上的螺纹与固定部件6的卡槽上的螺纹紧密连接，拧紧后，组合体与壳体4之间有间隙，且与固定部件6等高；

(4)将定压预紧弹簧14从支撑块18与镶套8之间的缝隙中穿过，并放入固定部件6的通孔中，定压预紧弹簧14的一端与安装在后轴承外圈15上的垫片13接触，确保可以把力传递给后轴承外圈15，定压预紧弹簧14的另一端留有5mm左右的余量；

(5)将移动部件9从支撑块18和镶套8之间的缝隙插入，调整位置，确保移动部件9与定压预紧弹簧14接触，但并不卡紧，移动部件9可以沿主轴1轴向移动，镶套8另一端是移动部件9向靠近后轴承11方向运动的极限位置；

(6)拧上端盖12，端盖12与壳体4采用螺纹连接，端盖12是移动部件9向远离后轴承11方向运动的极限位置；

(7)安装完成后，根据机加工材料参数、工况参数和机床设备参数，预估轴承负荷和轴承刚度，根据公式1，计算出预紧力；

式中：kr是轴承刚度，z是轴承滚动体数目，db是轴承滚动体直径，α是角接触球轴承的接触角，fα是轴承预紧力；

(8)根据计算出的预紧力大小，通过公式2换算得出所需电流的大小，给电磁铁7线圈通电，电磁铁7产生吸引力，移动部件9压紧定压预紧弹簧14，定压预紧弹簧14把预紧力传递给垫片13，力传感器5对当前预紧力进行测量，并实时显示当前预紧力的大小，实现动态调整；

式中：fα是轴承预紧力，b是磁感应强度(单位为特斯拉)，μ0是自由空间磁导率，s是磁极面面积，n是线圈匝数，i是线圈通电电流，g是气隙。

本发明机床主轴轴承预紧力的动态调整装置和动态调整方法的工作原理和工作流程是：首先给电磁铁7通入电流，让移动部件9压紧定压预紧弹簧14，使后轴承11发生微小位移，如果后轴承11没有发生位移，则需要加大通电电流，增大定压预紧弹簧14的压力，在增大电流的过程中应注意，每次增加的电流幅值不可过大，应小幅度增加通电电流，使后轴承11缓慢移动，一是防止后轴承11位移过量，二是防止后轴承外圈15、后轴承内圈16与轴承滚动体17之间由于承担载荷过大而发生轴承咬死现象。当主轴1的径向和轴向振动加剧，机加工精度降低，说明轴承在外载荷的作用下，后轴承外圈15和后轴承内圈16发生了相对移动，存在间隙，需要增大轴承预紧力，根据公式2，只要增大电磁铁7外部线圈的通电电流，就可以增大轴承预紧力；当轴承发生严重磨损，导致发热量剧增，说明预紧力过大，超过合理的预紧量，需要减小轴承预紧力，同样的，根据公式2，只要减小电磁铁7外部线圈的通电电流，就可以减小轴承预紧力。

本发明未述及之处适用于现有技术。