轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方法，具体涉及考虑不同的轴承内圈与主轴的过盈配合参数在实验装置中的实现方式，并通过实验测试方法对不同过盈配合量情况下的主轴系统静刚度、轴承外圈温度、轴系回转精度、主轴振动、固有频率等性能进行测试。
【背景技术】
[0002]在高速主轴-轴承系统中，轴承内圈与主轴采用过盈配合进行连接，一方面其结构简单，另一方面可以使得定心精度较高。然而，过盈配合量大小的选取与主轴系统所处的加工工况(如主轴转速、切削力、切削速度等)有关，随着机床主轴加工工况的改变，在离心效应和热效应等因素的综合影响下，主轴和轴承内圈均会发生变形，导致二者连接状态发生改变，进一步影响轴系的加工性能。过盈量选取过大往往会使得主轴与轴承的装配困难，甚至导致二者配合面的损伤；而过盈量选取过小又会造成主轴与轴承的松脱，引起配合面打滑，导致轴系振动、温升增大等问题。因此，需要对主轴与轴承内圈过盈量的定量选取进行研究。
[0003]目前在主轴转子与轴承内圈过盈量的实验装置和测试研究方面较为欠缺，缺乏针对过盈量对轴系性能影响分析的实验装置，难以对过盈量改变对轴系性能的影响规律进行系统研究。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方法。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0006]—种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置，该实验装置包括电主轴、轴承座、过盈量实验主轴以及用于测试主轴系统性能的检测模块，所述过盈量实验主轴上设置有一对背靠背安装的角接触球轴承，过盈量实验主轴通过所述一对背靠背安装的角接触球轴承支撑于轴承座内，所述一对背靠背安装的角接触球轴承的一侧设置有与过盈量实验主轴相连的锁紧螺母，锁紧螺母的外侧设置有与轴承座的一端相连的可拆卸的端盖，所述端盖以及锁紧螺母分别从所述轴承座的一端对所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈以及内圈进行顶紧，所述一对背靠背安装的角接触球轴承的另一侧设置有与过盈量实验主轴相连的隔圈，隔圈的一端与设置于过盈量实验主轴上的轴肩接触，隔圈的另一端与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的内圈接触，设置于轴承座的另一端的挡肩与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈接触，过盈量实验主轴的一端设置有用于连接电主轴的法兰，过盈量实验主轴的另一端设置有用于对过盈量实验主轴施加径向力的液压缸或力锤，过盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的内圈配合面之间设置有微米级薄垫片，为了简化主轴系统结构，排除其他装配参数对轴系性能的影响，实验主轴长度较短，轴上部件主要包括一对背靠背形式安装的角接触球轴承、一个锁紧螺母和一个隔圈，且在实验主轴与轴承安装时根据不同大小的过盈量要求，在实验主轴的轴承安装位置可更换使用不同厚度的微米级薄垫片，使主轴系统中主轴和轴承的过盈量可变。
[0007]所述实验装置可以进行的主轴系统性能测试包括静刚度测试、轴系回转精度测试、模态特性测试、振动测试以及轴承温度测试。
[0008]所述检测模块包括温度传感器、三向加速度传感器、电容位移传感器以及千分表；在轴承座上沿径向开设有两个通孔，两个通孔内分别设置有温度传感器，便于直接测试前后两个轴承处的温升；三向加速度传感器设置于轴承座顶端上(用于测试实验主轴运转过程中的轴系振动情况)或者设置于过盈量实验主轴上，三向加速度传感器与过盈量实验主轴的接触点位于所述力锤对过盈量实验主轴敲击点的对侧；过盈量实验主轴的轴段周向设置有三个电容位移传感器，用于测试轴系回转精度；千分表与过盈量实验主轴的接触点位于所述液压缸与过盈量实验主轴的接触点的对侧。
[0009]所述实验装置还包括铸铁平台以及与轴承座相连的支架，根据实验具体测试要求，轴承座通过所述支架安装在铸铁平台相应位置上，电主轴以及液压缸设置在铸铁平台上。
[0010]所述隔圈为阶梯状，隔圈的周向与轴承座之间留有间隙，锁紧螺母用于轴向定位所述角接触球轴承，隔圈一方面可以配合锁紧螺母对轴承进行预紧，另一方面起到辅助拆卸轴承的作用。
[0011]所述一对背靠背安装的角接触球轴承的两个轴承之间无隔圈。
[0012]一种基于上述轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置的轴承过盈量对主轴系统性能影响的测量方法，包括以下步骤:
[0013]通过在所述过盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承内圈的配合面之间使用不同厚度的微米级薄垫片来改变所述过盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承之间的过盈量大小，然后利用所述电主轴或液压缸在所述过盈量实验主轴端部施加轴向载荷或径向载荷以模拟主轴切削加工工况，然后测试不同过盈量下主轴系统的静刚度、回转精度、轴承温升和振动，同时，利用所述力锤通过锤击法测试对应过盈量下主轴系统的模态特性，从而获得轴承过盈量对主轴系统性能影响的规律。
[0014]改变所述过盈量大小时，先将所述端盖打开，再拆卸所述锁紧螺母，然后使用轴承拉拔器将所述一对背靠背安装的角接触球轴承沿过盈量实验主轴顶出轴承座，然后更换不同厚度的微米级薄垫片，更换后的微米级薄垫片吸附在过盈量实验主轴上，然后结合热装法将所述一对背靠背安装的角接触球轴承顶回轴承座，然后重新安装所述锁紧螺母以及端盖；或者，改变所述过盈量大小时，先将所述端盖打开，再拆卸所述锁紧螺母，然后直接将轴承座拆开，然后将过盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承一并取出，然后将所述一对背靠背安装的角接触球轴承与过盈量实验主轴分离，然后更换不同厚度的微米级薄垫片，更换后的微米级薄垫片吸附在过盈量实验主轴上，然后采用热装法将所述一对背靠背安装的角接触球轴承装回至过盈量实验主轴上，然后重新装回轴承座并安装所述锁紧螺母以及端盖。
[0015]所述静刚度测试中，过盈量实验主轴的径向位移由千分表测量得到，与千分表测量方向相对的加载力由所述液压缸提供；所述回转精度测试中，利用电主轴驱动主轴系统运转，使用三个电容位移传感器在主轴系统运转过程中测量过盈量实验主轴的径向位移，并采用三点法对测量数据进行分析处理，得到主轴系统的回转精度；所述轴承温升测试中，通过轴承座上开设的两个通孔将温度传感器与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈接触，从而实时测量轴承外圈的温升；所述振动测试中，利用电主轴驱动主轴系统运转，主轴系统运转过程的振动信号由安装在轴承座顶端上的三向加速度传感器获得，通过对振动信号进行处理，得到主轴系统的振动幅值以及振动频率；所述模态特性测试中，使用所述力锤在三向加速度传感器的对侧对过盈量实验主轴进行径向敲击，并通过LMS数据采集系统得到力锤激励信号及加速度传感器响应信号，通过数据分析，得到主轴系统的频率响应函数；通过改变三向加速度传感器的位置，得到主轴系统不同点的频率响应函数，然后采用集总参数法得到主轴系统的固有频率和模态振型。
[0016]本发明的有益效果体现在:
[0017]本发明中实验主轴上部件主要包括一对背靠背形式安装的角接触球轴承、一个锁紧螺母和一个隔圈，可以较为方便的调整轴承内圈与主轴的过盈量，为过盈量的定量计算或优化设计提供了实验测试装置，有助于轴承与主轴配合参数的合理选取，避免传统的