一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法与流程

本发明涉及主轴预紧力自调节技术领域，特别涉及一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法。

背景技术：

预紧力是调控主轴服役性能关键的参数之一。研究表明，合理的预紧力可使主轴刚度提高65％，高速下温度降低41.6％，从而使主轴极限转速提高54.5％。传统的恒定预紧力不能完全满足高速主轴宽工况变预紧力的要求。因此，主轴轴承预紧力的实时调控技术就成为高速主轴的关键技术。

随着我国高速主轴的发展，预紧力自调节问题也得到越来越多的关注。如中国专利cn107262745a《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》利用控制电磁铁线圈通电电流的大小，改变电磁力的大小，最终实现可动态调整轴承预紧力。中国专利cn108161036a《一种具备自动调整轴承预紧力的加工中心超声波电主轴》通过轴承预紧力自动调节机构的温度传感器实时监测轴承温度，并将监测到的轴承温度数据反馈给机床数控系统，再通过机床数控系统输出控制信号，使压电陶瓷柱的伸长量发生改变，用以产生合适的轴承预紧力。

上述专利所提出的电流调节预紧力方法的优点在于响应速度快，但电磁力加载装置受限于安装空间，预紧力调节范围较小；所提出的基于温度变化来实现自动调节预紧力，由于温度变化的滞后性，难以实现预紧力针对主轴工作转速变化的快速响应，预紧力精度也难于控制，而且压电陶瓷也存在元件易老化、可靠性差的问题。

技术实现要素：

针对上述存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法，该方法利用负泊松比结构的主轴内圈隔套，在离心力的作用下隔套产生变形，可以实时准确地自动调节不同转速下的预紧力。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法，包括以下步骤：

步骤一、轴承内圈隔套2采用负泊松比结构，该结构为三维薄壁筒状负泊松比结构，筒壁上布满周期性能够实现低孔隙率的通孔；

步骤二、在初始装配及低速阶段，负泊松比结构的轴承内圈隔套2均处于受压状态，单胞由于受压而处于闭合状态，此时轴承内圈隔套2能够对轴承提供较大的轴承预紧力及刚度；在主轴1升速过程中，在离心力的作用下，负泊松比结构的轴承内圈隔套2沿着轴向微量伸长，使得轴承的内圈沿着主轴1产生微量变形或位移，从而减小轴承的预紧力，实现高速工况下小预紧力的目标；转速降低时，离心力降低，负泊松比结构的轴承内圈隔套2的轴向作用力也减小，从而使得轴承向初始位置转移，使得轴承预紧力重新变大。

本发明具有如下有益效果：

轴承内圈隔套2在离心力作用下会发生轴向变形且变形量与离心力成正比，从而可实现在不同转速下预紧力的自适应调节，即在不同转速下，通过轴承内圈隔套2的变形行为，达到了预紧力自动调节的效果。

附图说明

图1是本发明轴承内圈隔套的装配示意图，其中1为主轴，2为负泊松比结构的轴承内圈隔套。

图2是低孔隙率负泊松比可控结构的变形示意图；图2(a)为材料在静态装配压力条件下单胞被压缩的示意图；图2(b)为主轴旋转状态下材料受力及“拉胀”的示意图。

图3是轴承内圈隔套2的结构示意图；图3(a)是轴承内圈隔套2结构的正等测图；图3(b)是轴承内圈隔套2结构的俯视图。

图4是有限元仿真分析结果图；图4(a)是径向应变结果云图，图4(b)是轴向应变结果云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细的说明。

一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法，包括以下步骤：

步骤一、参照图1，轴承内圈隔套2采用负泊松比结构，该结构为三维薄壁筒状负泊松比结构，筒壁上布满周期性能够实现低孔隙率的通孔，如图3所示为内凹六边形；轴承内圈隔套2在离心力作用下会发生轴向变形且变形量与离心力成正比，从而可实现在不同转速下预紧力的自适应调节。

步骤二、在初始装配及低速阶段，负泊松比结构的轴承内圈隔套2均处于受压状态，单胞由于受压而处于闭合状态，如图2所示，此时轴承内圈隔套2能够对轴承提供较大的轴承预紧力及刚度；在主轴1升速过程中，在离心力的作用下，负泊松比结构的轴承内圈隔套2沿着轴向产生微量伸长，使得轴承的内圈沿着主轴1产生微量变形或位移，从而减小轴承的预紧力，实现高速工况下小预紧力的目标；转速降低时，离心力降低，负泊松比结构的轴承内圈隔套2的轴向作用力也减小，从而使得轴承向初始位置转移，使得轴承预紧力重新变大。

本发明设计理论

泊松比值，通常情况下是正值，即结构在受到轴向拉伸时，径向尺寸会收缩。而该结构在受到轴向拉伸，其径向尺寸会膨胀，在受到径向拉力时，其轴向尺寸会伸长，这种结构就是负泊松比结构。本发明就是基于负泊松比结构的这种特性而设计。

本发明提出的轴承内圈隔套2包括薄壁筒状结构和若干周期性通孔。参见图1、图2和图3，从图上可以看出，本发明提出的轴承内圈在工作的过程中主要受轴向力、离心力、主轴径向约束力等力的作用，隔套在离心力作用下会发生轴向变形且变形量与离心力成正比，从而可实现在不同转速下预紧力的自适应调节。

本发明的模拟仿真

针对本发明所提出的负泊松比轴承内圈隔套2，采用有限元仿真软件ansys进行仿真分析，结果云图参见附图4。通过数据计算可得泊松比值为-0.825，轴向伸长量为5.676um。此结果证明该隔套结构为负泊松比结构，隔套由于转速而受到离心力，离心力会导致隔套的轴向伸长，而且由于转速的提高，离心力会导致隔套的轴向伸长从而使得隔套所施加到轴承上的作用力以及轴承真正收到的作用力是一个时变的力，最终达到随着转速不同，预紧力自适应调节的作用。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围之内。

技术特征：

技术总结
一种基于负泊松比结构的主轴预紧力自适应调节方法，轴承内圈隔套采用负泊松比结构，在初始装配及低速阶段，轴承内圈隔套均处于受压状态，单胞由于受压而处于闭合状态，此时轴承内圈隔套能够对轴承提供较大的轴承预紧力及刚度；在主轴升速过程中，在离心力的作用下，负泊松比结构的轴承内圈隔套沿着轴向产生微量伸长，使得轴承的内圈沿着主轴产生微量变形或位移，从而减小轴承的预紧力，实现高速工况下小预紧力的目标；转速降低时，离心力降低，负泊松比结构的轴承内圈隔套的轴向作用力也减小，从而使得轴承向初始位置转移，使得轴承预紧力重新变大；本发明具有基于材料的预紧力调节方法的简单可靠的优点，是一种全新的预紧力调节技术。

技术研发人员：朱永生;蔡依青;闫柯;洪军;袁倩倩;陈凯达
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2018.10.12
技术公布日：2019.01.08