本發(fā)明涉及機(jī)床主軸性能測試領(lǐng)域，具體是一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法。

背景技術(shù)：

機(jī)床主軸軸承的預(yù)緊力直接影響主軸系統(tǒng)的靜力學(xué)特性、熱力學(xué)特性和動力學(xué)特性。為了提高主軸系統(tǒng)的剛度和旋轉(zhuǎn)精度等級，需要施加初始預(yù)緊力來減少滾動軸承大間隙引起的振動和噪聲；但是，當(dāng)通過增加預(yù)緊力來提高滾動軸承剛度時，滾珠和內(nèi)外軌道的高接觸壓力會使油膜損壞且引起咬粘，從而降低軸承壽命，特別是當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力和發(fā)熱作用的影響，軸承內(nèi)部載荷急劇增大，過大的預(yù)緊力會縮短軸承的壽命。因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中，如何快速、準(zhǔn)確地根據(jù)工況條件動態(tài)調(diào)整主軸軸承預(yù)緊力大小尤為重要。

目前，對主軸軸承預(yù)緊力調(diào)整的方法主要有：利用液壓裝置調(diào)節(jié)預(yù)緊力、利用離心裝置調(diào)節(jié)預(yù)緊力和利用可調(diào)整機(jī)械結(jié)構(gòu)(調(diào)節(jié)螺栓)調(diào)節(jié)預(yù)緊力等。液壓調(diào)整裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，并且在實(shí)際安裝時該裝置與主軸系統(tǒng)的集成和連接較困難，且液壓系統(tǒng)在實(shí)際使用中易發(fā)生液體泄露等問題。使用彈性元件(彈力環(huán))在主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)離心力作用下調(diào)節(jié)軸承預(yù)緊力，可以隨著轉(zhuǎn)速變化實(shí)時調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)簡單，但是該方法不易精確控制，預(yù)緊力的調(diào)節(jié)精度低。

申請?zhí)?01510352514.8公開了一種電主軸外部可調(diào)定壓預(yù)緊裝置，包括殼體、軸承支承系統(tǒng)和預(yù)緊調(diào)節(jié)系統(tǒng)；軸承支承系統(tǒng)由軸承、內(nèi)外隔圈、軸承座、直線軸承、緊固螺栓等構(gòu)成；預(yù)緊調(diào)節(jié)系統(tǒng)由彈簧擋板、螺栓、連接板、調(diào)節(jié)螺栓構(gòu)成；彈簧擋板安裝在殼體內(nèi)部，彈簧擋板耳部通過螺栓連接到連接板上，調(diào)節(jié)螺栓通過連接板中孔伸出電主軸后蓋；工作時通過旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺栓改變內(nèi)部彈簧擋板對彈簧的作用力，從而實(shí)時調(diào)節(jié)施加給軸承的預(yù)緊力。該方法結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，避免了外置液壓調(diào)節(jié)裝置，實(shí)用性強(qiáng)，但是該方法只能依靠經(jīng)驗(yàn)定性判斷特定工況下預(yù)緊力是否合適。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法。該方法只需控制電磁鐵外部線圈通電電流的大小，就可以改變電磁力的大小，最終實(shí)現(xiàn)可動態(tài)調(diào)整軸承預(yù)緊力，使主軸在連續(xù)完成一系列低速大轉(zhuǎn)矩切削運(yùn)動和高速大功率小轉(zhuǎn)矩切削運(yùn)動時，在高速段溫度許可的范圍內(nèi)盡量提高軸承預(yù)緊力，在低速段須考慮軸承的疲勞壽命，有效減小軸承內(nèi)部發(fā)熱，提高主軸旋轉(zhuǎn)精度和壽命。

本發(fā)明解決所述裝置問題的技術(shù)方案是，提供一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置，主軸系統(tǒng)包括主軸、內(nèi)套筒、外套筒、殼體、前軸承和后軸承；所述前軸承和后軸承同向面對面安裝在主軸中部，內(nèi)套筒和外套筒安裝在前軸承和后軸承之間，內(nèi)套筒分別與前軸承和后軸承的內(nèi)圈接觸，外套筒分別與前軸承和后軸承的外圈接觸；前軸承與后軸承的軸肩與殼體固定；其特征在于該裝置包括力傳感器、固定部件、電磁鐵、鑲套、移動部件、端蓋、墊片、定壓預(yù)緊彈簧和支撐塊；

所述固定部件與主軸連接，固定部件與殼體之間存在間隙；所述支撐塊與主軸連接；所述電磁鐵與鑲套固定連接，形成組合體；所述鑲套嵌套在主軸上，并與固定部件連接；所述墊片安裝在后軸承外圈上；所述移動部件插入到支撐塊和鑲套之間，兩表面分別與支撐塊和鑲套接觸，移動部件可以沿主軸軸向移動，鑲套的另一端是移動部件向靠近后軸承方向運(yùn)動的極限位置；所述定壓預(yù)緊彈簧穿過固定部件的通孔，一端與墊片接觸，另一端與移動部件接觸；所述端蓋與殼體連接，是移動部件沿遠(yuǎn)離軸承方向運(yùn)動的極限位置；所述力傳感器安裝在后軸承外圈上，與墊片接觸。

本發(fā)明解決所述方法問題的技術(shù)方案是，提供一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)將固定部件安裝到主軸上，固定部件與主軸緊密連接；

(2)將支撐塊與主軸緊密連接，確保不發(fā)生滑動；

(3)將電磁鐵與鑲套緊密連接，形成組合體，再將組合體嵌套在主軸上，當(dāng)鑲套與固定部件接觸時，旋轉(zhuǎn)組合體，使鑲套一端上的螺紋與固定部件的卡槽上的螺紋緊密連接，擰緊后，組合體與殼體之間有間隙，且與固定部件等高；

(4)將定壓預(yù)緊彈簧放入固定部件的通孔中，定壓預(yù)緊彈簧的一端與墊片接觸，定壓預(yù)緊彈簧的另一端留有余量；

(5)將移動部件從支撐塊和鑲套之間的縫隙插入，確保移動部件與定壓預(yù)緊彈簧接觸，移動部件可以沿主軸軸向移動，鑲套另一端是移動部件向靠近后軸承方向運(yùn)動的極限位置；

(6)擰上端蓋，端蓋與殼體采用螺紋連接，端蓋是移動部件向遠(yuǎn)離后軸承方向運(yùn)動的極限位置；

(7)安裝完成后，根據(jù)公式1，計(jì)算出預(yù)緊力；

式中：kr是軸承剛度，z是軸承滾動體數(shù)目，db是軸承滾動體直徑，α是角接觸球軸承的接觸角，fα是軸承預(yù)緊力；

(8)根據(jù)計(jì)算出的預(yù)緊力大小，通過公式2換算得出所需電流的大小，給電磁鐵線圈通電，電磁鐵產(chǎn)生吸引力，移動部件壓緊定壓預(yù)緊彈簧，定壓預(yù)緊彈簧把預(yù)緊力傳遞給墊片，力傳感器對當(dāng)前預(yù)緊力進(jìn)行測量，并實(shí)時顯示當(dāng)前預(yù)緊力的大小，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整；

式中：fα是軸承預(yù)緊力，b是磁感應(yīng)強(qiáng)度，μ0是自由空間磁導(dǎo)率，s是磁極面面積，n是線圈匝數(shù)，i是線圈通電電流，g是氣隙。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)只需控制電磁鐵外部線圈通電電流的大小，就可以改變電磁力的大小，最終實(shí)現(xiàn)可動態(tài)調(diào)整軸承預(yù)緊力，使主軸在連續(xù)完成一系列低速大轉(zhuǎn)矩切削運(yùn)動和高速大功率小轉(zhuǎn)矩切削運(yùn)動時，在高速段溫度許可的范圍內(nèi)盡量提高軸承預(yù)緊力，在低速段須考慮軸承的疲勞壽命，有效減小軸承內(nèi)部發(fā)熱，提高主軸旋轉(zhuǎn)精度和壽命；

(2)由于電流大小可知，可以準(zhǔn)確得到軸承預(yù)緊力大小和電流的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)對軸承預(yù)緊力的精準(zhǔn)控制；

(3)固定部件、移動部件以及電磁鐵等裝置核心部件都集成安裝在裝置內(nèi)部，與主軸系統(tǒng)連接緊密，避免了液壓類裝置的連接困難以及液體泄漏的問題；

(4)通過控制電流大小替代手動操作機(jī)械結(jié)構(gòu)來調(diào)整軸承預(yù)緊力，力傳感器顯示施加的預(yù)緊力的大小，避免了只依靠操作者的經(jīng)驗(yàn)來判斷特定工況下軸承預(yù)緊力是否合適；

(5)由于電磁感應(yīng)響應(yīng)靈敏，該裝置可快速改變施加的預(yù)緊力的大小，可以在加工過程中對軸承預(yù)緊力做出動態(tài)調(diào)整；

(6)該裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于操作，實(shí)用性強(qiáng)，避免了液壓系統(tǒng)等裝置的復(fù)雜構(gòu)成。

附圖說明

圖1為本發(fā)明機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法一種實(shí)施例的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法圖1的局部放大圖；

圖3為本發(fā)明機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法圖2的a-a方向的剖視圖；(圖中：1、主軸；2、內(nèi)套筒；3、外套筒；4、殼體；5、力傳感器；6、固定部件；7、電磁鐵；8、鑲套；9、移動部件；10、前軸承；11、后軸承；12、端蓋；13、墊片；14、定壓預(yù)緊彈簧；15、后軸承外圈；16、后軸承內(nèi)圈；17、軸承滾動體；18、支撐塊)

具體實(shí)施方式

下面給出本發(fā)明的具體實(shí)施例。具體實(shí)施例僅用于進(jìn)一步詳細(xì)說明本發(fā)明，不限制本申請權(quán)利要求的保護(hù)范圍。

本發(fā)明提供了一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置(參見圖1-3，簡稱裝置)，主軸系統(tǒng)包括主軸1、內(nèi)套筒2、外套筒3、殼體4、前軸承10和后軸承11；所述前軸承10和后軸承11為一對角接觸球軸承，同向面對面安裝在主軸1中部，內(nèi)套筒2和外套筒3安裝在前軸承10和后軸承11之間，內(nèi)套筒2分別與前軸承10和后軸承11的內(nèi)圈接觸，外套筒3分別與前軸承10和后軸承11的外圈接觸，保護(hù)主軸1同時對前軸承10與后軸承11進(jìn)行定位；前軸承10與后軸承11的軸肩與殼體4固定；其特征在于該裝置包括力傳感器5、固定部件6、電磁鐵7、鑲套8、移動部件9、端蓋12、墊片13、定壓預(yù)緊彈簧14和支撐塊18；

所述固定部件6與主軸1連接，不發(fā)生滑動，固定部件6與殼體4之間存在間隙；所述支撐塊18與主軸1連接，不發(fā)生滑動；所述電磁鐵7與鑲套8固定連接，形成組合體；所述鑲套8嵌套在主軸1上，并通過螺紋與固定部件6連接，用來補(bǔ)償移動部件9與電磁鐵7之間因磨損導(dǎo)致的尺寸誤差，并對主軸1起到保護(hù)的作用；所述組合體與殼體4之間存在間隙，且與固定部件6等高；所述墊片13安裝在后軸承外圈15上，用來把定壓預(yù)緊彈簧14產(chǎn)生的載荷傳遞到后軸承11上；所述移動部件9插入到支撐塊18和鑲套8之間，兩表面分別與支撐塊18和鑲套8接觸，移動部件9可以沿主軸1軸向移動，鑲套8的另一端是移動部件9向靠近后軸承11方向運(yùn)動的極限位置；所述定壓預(yù)緊彈簧14穿過固定部件6的通孔，一端與墊片13接觸，另一端與移動部件9接觸，用來對后軸承11施加載荷；定壓預(yù)緊彈簧14的壓縮量是移動部件9與墊片13之間距離的變化量；所述端蓋12與殼體4通過螺紋連接，用于對移動部件9進(jìn)行定位，是移動部件9沿遠(yuǎn)離軸承方向運(yùn)動的極限位置；所述力傳感器5安裝在后軸承外圈15上，與墊片13接觸，用來測量預(yù)緊力的大小。

所述電磁鐵7外部繞有線圈，通電后產(chǎn)生電磁力；所述移動部件9為鐵磁質(zhì)，可被電磁鐵7磁化，受電磁力可沿軸向移動。

本發(fā)明同時提供了一種機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整方法，其特征在于包括以下步驟：

(1)將固定部件6安裝到主軸1上，確保固定部件6與主軸1緊密連接，安裝好以后，固定部件6與殼體4之間存在間隙；

(2)將支撐塊18與主軸1緊密連接，確保不發(fā)生滑動；

(3)將電磁鐵7與鑲套8緊密連接，形成組合體，再將組合體嵌套在主軸1上，并緩慢推入，當(dāng)鑲套8與固定部件6接觸時，緩慢旋轉(zhuǎn)組合體，使鑲套8一端上的螺紋與固定部件6的卡槽上的螺紋緊密連接，擰緊后，組合體與殼體4之間有間隙，且與固定部件6等高；

(4)將定壓預(yù)緊彈簧14從支撐塊18與鑲套8之間的縫隙中穿過，并放入固定部件6的通孔中，定壓預(yù)緊彈簧14的一端與安裝在后軸承外圈15上的墊片13接觸，確保可以把力傳遞給后軸承外圈15，定壓預(yù)緊彈簧14的另一端留有5mm左右的余量；

(5)將移動部件9從支撐塊18和鑲套8之間的縫隙插入，調(diào)整位置，確保移動部件9與定壓預(yù)緊彈簧14接觸，但并不卡緊，移動部件9可以沿主軸1軸向移動，鑲套8另一端是移動部件9向靠近后軸承11方向運(yùn)動的極限位置；

(6)擰上端蓋12，端蓋12與殼體4采用螺紋連接，端蓋12是移動部件9向遠(yuǎn)離后軸承11方向運(yùn)動的極限位置；

(7)安裝完成后，根據(jù)機(jī)加工材料參數(shù)、工況參數(shù)和機(jī)床設(shè)備參數(shù)，預(yù)估軸承負(fù)荷和軸承剛度，根據(jù)公式1，計(jì)算出預(yù)緊力；

式中：kr是軸承剛度，z是軸承滾動體數(shù)目，db是軸承滾動體直徑，α是角接觸球軸承的接觸角，fα是軸承預(yù)緊力；

(8)根據(jù)計(jì)算出的預(yù)緊力大小，通過公式2換算得出所需電流的大小，給電磁鐵7線圈通電，電磁鐵7產(chǎn)生吸引力，移動部件9壓緊定壓預(yù)緊彈簧14，定壓預(yù)緊彈簧14把預(yù)緊力傳遞給墊片13，力傳感器5對當(dāng)前預(yù)緊力進(jìn)行測量，并實(shí)時顯示當(dāng)前預(yù)緊力的大小，實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)整；

式中：fα是軸承預(yù)緊力，b是磁感應(yīng)強(qiáng)度(單位為特斯拉)，μ0是自由空間磁導(dǎo)率，s是磁極面面積，n是線圈匝數(shù)，i是線圈通電電流，g是氣隙。

本發(fā)明機(jī)床主軸軸承預(yù)緊力的動態(tài)調(diào)整裝置和動態(tài)調(diào)整方法的工作原理和工作流程是：首先給電磁鐵7通入電流，讓移動部件9壓緊定壓預(yù)緊彈簧14，使后軸承11發(fā)生微小位移，如果后軸承11沒有發(fā)生位移，則需要加大通電電流，增大定壓預(yù)緊彈簧14的壓力，在增大電流的過程中應(yīng)注意，每次增加的電流幅值不可過大，應(yīng)小幅度增加通電電流，使后軸承11緩慢移動，一是防止后軸承11位移過量，二是防止后軸承外圈15、后軸承內(nèi)圈16與軸承滾動體17之間由于承擔(dān)載荷過大而發(fā)生軸承咬死現(xiàn)象。當(dāng)主軸1的徑向和軸向振動加劇，機(jī)加工精度降低，說明軸承在外載荷的作用下，后軸承外圈15和后軸承內(nèi)圈16發(fā)生了相對移動，存在間隙，需要增大軸承預(yù)緊力，根據(jù)公式2，只要增大電磁鐵7外部線圈的通電電流，就可以增大軸承預(yù)緊力；當(dāng)軸承發(fā)生嚴(yán)重磨損，導(dǎo)致發(fā)熱量劇增，說明預(yù)緊力過大，超過合理的預(yù)緊量，需要減小軸承預(yù)緊力，同樣的，根據(jù)公式2，只要減小電磁鐵7外部線圈的通電電流，就可以減小軸承預(yù)緊力。

本發(fā)明未述及之處適用于現(xiàn)有技術(shù)。