主轴轴承可变预紧力的研究

1 主轴轴承概念自动可变预紧系统开发的研究 Dong Hyeon Kim Olvera 等人11分析了车 铣加工中心刀具的径向刚度;Alberelli 等人12 进行了机床子系统之间的相互作用对切削过程的稳 定性影响的研究;Lee et al13进行的空气承载位 移传感器在机械、表面形态结构，测量的实验研究。 可变预紧的概念是需要根据主轴转速和加工条 件适当地改变预紧力。有较大的速度运行范围对于 主轴来说是最合适的方法14。目前，主轴轴承的 可变预紧系统通常使用液压，气动，压电致动器与 形状记忆合金结构。最近，作者提出了两种方法， 第一种用电磁铁和第二种用离心力15-17。 图 2 偏心质量装置的详细结构图 图 3 预紧力的调整原理，初始预紧力 一般情况下，可变预紧装置使用液压系统会有 一个较大的运行范围和会产生较大的力。但是他们 的构造部件和维护费用的成本太大。此外，它难以 制定主轴转速和预紧力之间的准确关系。而可变预 紧装置如果采用气动系统，它与液压系统相比，有 操作力小、响应速度低和精度14更高的特点。 使用压电致动器的可变预紧系统工作范围小， 因为滞后作用可重复性下降并且老化现象严重。但 是他们在其响应速度条件优秀，小型化程度高，以 及能源效率18尤为突出。然而，如果要更精确的 控制，需要放置一个控制器来减轻压电元件的滞后 现象，滞后现象是压电的特性。减轻老化后产生的 影响也是很重要的。在某些情况下，应该放置一个 能增加或减少轴承预紧力的反馈系统，来解决实际 产生的问题。 图 4 有限元分析模型 表 1 材料性能 名称 密度 （kg/m 3） 弹力 (GPa) 伯松 (比例) 轴承 7817 209 0.28 隔离垫圈 7850 200 0.30 月 3 3 采用形状记忆合金的可变预紧装置具有操作简 单、安静、重复性好的优点，这些器件的滞后量小， 时效性小。当然他们也有缺点，比如响应速度低， 因为它们是利用热能原理20工作的。 使用离心力的自动可变预紧装置有复杂的机构 和有相当大的反应。此外，使用电磁铁的可变预紧 装置的磁铁及周边部件之间的间隔需要严格控制。 电磁体周边的部件也会受到电磁体的磁化作用15- 16。 每个可变预紧装置有各自的优点和缺点。此外， 现在已尽量减少他们缺点的影响，最大程度地发挥 优势来改进。本文提出了一种自动可变预紧系统， 使用一个简单的机构和形状的偏心质量装置，能简 单地运用到需要可变预紧装置的系统中。 1 偏心质量装置下的自动可变预紧系 统 1.1 概念和操作原则 作为新引入的结构，即可以自动控制预紧力主 轴轴承的偏心质量预紧装置21，22，用有限元分 析进行计算仪器的形状和预紧力的变化。我们开发 了一个可以用径向力引起的离心力转换成轴向力的 偏心质量装置。制造一个模型来测试，验证其能否 进行准确地工作。用之前的研究来简化模型的内部 结构22。 表 2 弹簧设计 材料 直径 长度 次数 强度 D33556 10mm 15mm 6 19.6N/mm 图 5 计算位移结果的有限元法（6000 转） 图 1 说明了在本研究中提出的自动预紧装置的 整体概念。装置由锁紧螺母、偏心块体，轴承，垫 片，和外壳部分。如果主轴不转，定压预紧力就作 为初始预紧力的轴承，对齐的轴承由间隔件组合， 并且预紧力由轴承和壳体之间的弹簧施加。如果主 轴旋转，偏心质量装置在径向方向受到力，而这种 力由偏心质量转化为轴向力。此时，如果偏心质量 装置推动轴承内圈，并通过间隔件施加力到轴承的 相对侧上，则使轴承的初始预紧力减小。也就是说， 如果主轴转速增加，由于离心力增加径向力也会增 加，那么由偏心质量转换的轴向力也会增加。这就 意味着轴承预紧力随着高速主轴转速增加而增加。 图 2 显示了偏心质量装置的结构。装置组合的 部分是由板、螺栓、螺母组合成一个一体化的系统。 放置它可以减少系统中的不稳定因素。整个部分是 用来获取离心力的，螺栓和螺母被规律地安装到圆 板上，此时圆板接收的离心力会偏转到轴向方向上。 在这一点上，螺母的质量大于螺栓会使圆板将弯向 轴向偏心。 图 6 与转速有关的轴向位移 根据提出的方案，确定预紧量的原则如下：在 主轴不转的情况下，初始预紧力是根据弹簧力的大 小来确定的，而弹簧力是调整螺母紧固量来改变的。 图 3b 显示在主轴旋转时预紧力是通过质量偏心装 置的变化来改变的。转动时，离心力将偏心质量装 置的板向轴向弯曲。位移D 和轴向力传递依次为 前轴承内圈的前轴承，外圈的间隔，及后轴承外环。 最初的预紧力施加到轴承，然后由于轴向力下降。 通过偏心量的轴向位移是通过主轴转速来确定的。 根据主轴转速的增加，偏心质量装置向轴向提供的 轴向力也会增加。此外，施加到轴承的预紧力也会 降低。即使在高负载，由于主轴转速高，偏心质量 装置也可以成功运作，因为轴向力可以通过机械连 接的部分传递。 4 图 7 应力分布的有限元法（6000 转） 1.2 有限元分析 使用 ANSYS 软件来进行有限元分析，该软件验 证了所提出的偏心质量装置的工作原理，并且可以 得到制作一个模型所需要的基本数据23。操作原 理验证的分析模型如图 4 所示。这里的目的是预测 的偏心质量装置的变化，被装配到轴的偏心质量装 置的形状建模。分析模型的网格类型为六边形，分 析模型由 53682 个节点和 14781 个元素组成。表 1 给出了材料性能。偏心质量装置为蓝本，灵活的接 触边界条件。对于负载条件，在整个系统中轴的旋 转速度以及其自重是要考虑的。表 2 介绍了弹簧的 设计细节。 图 5 显示这设备在主轴转速为最大速度 6000 转的计算数据。据证实，如预测的一样轴向位移源 于偏心质量装置。图 6 显示了在轴向方向上计算的 位移在 1000 rpm 的增量在 1000 至 6000 rpm 的范 围内。从结果中，我们发现 12.9 jxm 最大位移是 在本研究中考虑的条件范围内，位移随主轴转速的 增加而产生的。 为了增加在轴向方向上的位移，产生的偏心应 该是最大化的，这意味着偏心块的重量应该增加。 本研究设计的偏心量估计为 20g 左右。 根据上述结果，最重要的是准确地预测轴向位 移。这是由偏心的大小和重量决定的质量装置和主 轴转速。一个准确的预测将正确控制轴承施加的预 紧力。偏心质量装置的位移必须在弹性区。 图 7 显示了由有限元法（FEM）（6000 rpm） 产生的应力分布。最大应力值为 44 MPa，及板材 的屈服强度为 250 MPa；因此，板块需要弹性的。 图 8 模型概念图 2 开发模型及实验 2.1 模型开发 设计和生产的自动可变预紧系统使用的估计偏 心质量的模型。图 8 显示了用于制造系统的概念图。 如图所示，加载单元被插入到外壳中，测量在偏心 质量装置中产生的轴向变化的负荷，这取决于主轴 转速。 螺栓和螺母的偏心质量装置被制作成连接到板， 与所有三个部分，包括一个单一的设置，在间隔为 120。图 9 显示了与轴相结合的偏心质量。 使用可变预紧系统的模型被设计为能够旋转到 最多 6000 rpm 的皮带驱动系统的显示装置目的是 监测的主轴转速和负载力在负载细胞中实时测量从 外部设备。图 10 显示了模型。 2.2 实验 为了评估在轴质量转速的偏心质量装置中产 生的轴向力，实验进行了在 1000 转增量从 1000 到 6000 rpm。图 11 显示了一系列的力 10-130 n 从 1000 到 6000 rpm。有人发现，力增加的形状的 二次曲线旋转数增加。这种趋势类似于图 6 中所示 的有限元分析的结果，这表明在偏心质量装置中发 生位移增加。当主轴转速为 6000 转时，力迅速增 加是由于离心力相对于转速的双重增加。负载单元 的分辨率极限为 10 N，这意味着测得的力是相同 的，在 1000 和 2000 转。此外，上述描述的可变预 压系统的性能应通过其他实验来应征。 月 5 5 图 9 质量偏心装置实物图 图 10 模型图 实施回归分析为了研究转速和轴向力之间的关 系。图 12 显示了回归分析结果。在（1）中所示的 公式是在自动可变预紧系统中主轴转速 R 和轴向力 之间的关系式。测定系数为 98.4%。 32105-67F （1） 图 11 测量轴向力对转速的影响 图 12 实验结果的回归分析结果 此外，进行了相关性分析，以分析的旋转速 度和轴向力之间的线性关系。相同的相关系数为 0.903，P 值为 0.014，即转速与轴向力的线性关系， 转速的增加表示轴向力的增加。 由于有可能产生的噪声，由于该系统的结构， 一个精密集成声级计被用来测量噪声。图 13 显示 了在测量中使用的声级计。从 6000 rpm 的测量， 噪声被认为是 81 分贝，这是一个高层次。当模型 没有偏心质量装置，噪声保持在同一水平。 从评价系统的结构，发现噪声主要是由于由模 型的零件间隙引起的主轴振动。因此，对于本系统 中，偏心质量装置测量噪声产生的影响不大。 图 13 具有噪声测量的主轴 样机的振动进行了比较和分析。该装置用于测 量振动的模型是一个测振仪制造的霍夫曼提供了一 个分辨率为 0.1mm/s 和 0.03mm/s 的测量不确定度， 带宽是 10-10HZ 和测量是以 m/s 的单位进行。评估 主轴宽带振动的最合理的方法是考虑其振动速度的 根均方值24，25。 图 14 显示了主轴与振动测量设备的照片。点 1 被确定在从主轴轴的水平位置，和点 2 被确定在 6 从主轴轴的垂直位置。主轴转速提高到 1000- 6000r 每分钟 1000r 的间隔。 图 14 具有振动测量的主轴 表 3 根据主轴振动测量 mm/s 无预紧装置 有预紧装置 rpm 点 1 点 2 点 1 点 2 1,0000 0.10 0.16 0.13 0.12 2,0000 0.35 0.22 0.35 0.32 3,0000 0.55 0.38 0.59 0.53 4,0000 0.86 0.68 0.90 0.87 5,0000 1.00 0.95 1.20 1.19 1.05 1.25 1.15 1.37 1.35 表 3 显示了根据主轴转速的振动。当自动变量 的预紧装置没有安装在最大转速 6000 rpm，测量 为 1.25 毫米和 1.15mm/s，在点 1 和点 2 的振动， 分别。与此相反，作为自动变量预加载装置被安装， 振动被测量为 1.37 和 1.35mm/s，在点 1 和点 2， 分别。根据结果，振动增加约 9.6 和 17.4%，分别 在点 1 和点 2，分别。偏心质量装置的制造由螺栓 和螺母的质量，包括一个单一的设置在 120区间。 转动时，偏心质量装置的质量在主轴圆周方向上不 均匀分布。它被认为是由于该设备的偏心质量的振 动而增加。然而，没有弧在这些振动增加的问题， 因为在工业领域提出的参考是约 1.3 毫米/秒的约 6000r。然而，应降低振动电平的超高速主轴系统。 模型只针对拟议的变量预加载机制的操作原理 的验证。通过开发的模型和实验变量的预紧系统使 用偏心质量，我们验证了所提出的机制运作令人满 意。根据主轴转速的实验测得的力显示的趋势类似 的计算结果的趋势。此外，模型的振动和噪声进行 测量和分析。 从结果来看，它是必要的，通过优化设计的心 质量装置的形状，精确的加工和装配，消除零件的 侧隙，和平衡的各个部分，以提高性能。此外，根 据主轴转速测量的力是非线性的，和相关的特性， 应考虑和施加到自动可变预紧系统的设计。 3 结论 这项研究描述了一个新的自动变量预加载系统 的发展，可以自动控制施加到主轴轴承的预紧力， 根据从主轴转速产生的偏心质量装置的形状的变化。 得到以下结果： 1、提出了一种通过偏心质量自动控制主轴轴 承预紧力的新结构。有了这种结构，制造和运行成 本预计将减少，因为复杂的液压和电力设备所需的 现有可变预紧装置可以被淘汰。 2 建立了有限元分析模型。所开发的模型可以 评估变量预紧系统使用偏心质量和计算的旋转过程 中的轴向位移的变化。 3、提出了一种采用偏心质量装置的自动变量 预紧系统。建议的结构的预加载系统进行了验证， 以令人满意的运作。分析结果与实验结果相似。 4。对于性能评价，振动和噪声的模型进行测 量和分析。根据结果，振动增加约 9.6 和 17.4%， 分别在点 1 和点 2。此外，偏心质量装置不影响噪 声。 制造一个精确的装置的基础上优化的形状，可 以最大限度地提高偏心质量的效果，精确控制的预 紧力取决于主轴转速和严格控制的公差,这是必要 的。 月 7 7 参 考 文 献 1. 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