一种机床主轴轴承预紧调整的定量方法与流程

本发明属于机床及数控机床，涉及一种机床主轴轴承预紧调整的定量方法。

背景技术：

1、机床主轴轴承预紧的好坏直接影响机床主轴的运动精度、主轴系统的刚度、轴承的发热量以及寿命等重要参数。无论是机床的设计制造商，还是机床的用户都高度重视机床主轴轴承预紧问题。

2、机床主轴轴承预紧后的轴承一定是负游隙轴承，增大轴承的预紧意味着轴承的游隙越小（游隙的绝对值越大）。因此，轴承预紧的调整或控制问题，本质上是轴承负游隙的调整或控制问题。

3、由于轴承预紧力检测方面的难度，机床主轴轴承预紧程度目前多采用间接的参量进行检测，主要包括：用主轴轴承预紧后主轴回转需要克服的摩擦力矩量；用使轴承达到预紧对压紧螺母进行拧紧所需要的扭矩量；用使轴承达到预紧的轴承负游隙量。然而，这些参量与轴承预紧程度（预紧力）之间的关系复杂，且受多种其他因素的影响，要实现用这些间接参量来指导机床主轴轴承预紧程度的定量调整，关键在于厘清这些参量与轴承预紧程度之间的量化关系，并定量考虑各种影响因素。目前这些工作尚不完善。

4、目前机床主轴轴承预紧程度的评价是建立在对轴承预紧程度的间接检测基础上，结合实践经验进行的。因此，调整结果的可靠性、一致性和稳定性都比较低，往往与设计要求之间存在较大误差，且确认误差大小目前尚无有效办法。

5、用摩擦力矩量或扭矩量对机床主轴轴承预紧程度进行定量描述，会受到润滑条件、压紧螺母的结构参数等多种因素的影响，这些因素的影响较大且具有不可控性和不确定性。相对而言，用轴承的负游隙量定量描述机床主轴轴承预紧程度更有优势。

6、发明专利cn202311260245.3（授权号cn117400059b）提出了一种通过监测机床主轴箱温度来监测主轴轴承预紧的方法，通过该方法可以获得机床主轴在工作状态下的轴承负游隙数值。然而，在实际工程应用上，无法用这种方法获得机床主轴非工作状态（常温状态）下的轴承负游隙数值，也无法直接用该方法获得的轴承负游隙数值来指导机床主轴轴承预紧程度的调整。这是因为机床主轴轴承预紧程度会随工作状态不同而变化，工作状态（发热状态）与非工作状态（常温状态）下主轴轴承的预紧程度不同。机床主轴轴承预紧程度的设计要求通常面向非工作状态给出，且预紧调整一般只能在非工作状态下进行，因此不能直接依据工作状态下的轴承负游隙数值进行调整。

7、为此，设计一种机床主轴轴承预紧调整的定量方法，从而克服上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构简单合理，实用方便，操作简便、成本低、精度高的机床主轴轴承预紧调整的定量方法。本发明的方法可广泛应用于各类机床主轴轴承的预紧调整，特别是数控机床主轴轴承的预紧安装和维护调整。本方法无需复杂的专用检测设备，仅需在现有温度监测基础上进行计算即可获得定量调整量。

2、本发明是通过如下的技术方案予以实现的：一种机床主轴轴承预紧调整的定量方法，包括以下步骤：

3、步骤一，获取机床主轴在工作状态下的轴承预紧负游隙量；

4、步骤二，根据以下公式计算机床主轴在常温非工作状态下的轴承预紧负游隙量：

5、；

6、其中，为轴承材料的热膨胀系数，为机床主轴进入工作状态后主轴支撑近轴承点的温度，为机床主轴非工作状态下主轴支撑近轴承点的温度即常温，为轴承外径，为轴承内径，为滚动体直径；

7、步骤三，获取机床主轴轴承预紧程度的设计要求值；

8、步骤四，根据以下公式计算常温下机床主轴轴承预紧程度的调整量：

9、；

10、步骤五，根据所述调整量对机床主轴轴承的预紧程度进行调整。

11、作为优选，所述步骤一中，机床主轴在工作状态下的轴承预紧负游隙量通过以下方法获取：在机床主轴箱上选定测温点并布置温度传感器；令机床主轴在一定的载荷和转速下旋转直至达到热平衡状态，测量测温点的稳态温度；建立测温点稳态温度与被监测轴承发热功率之间的关系式，根据该关系式计算轴承的发热功率；根据轴承的发热功率计算轴承在工作状态下的预紧负游隙量。

12、作为优选，所述步骤二中，机床主轴进入工作状态后主轴支撑近轴承点的温度与机床主轴非工作状态下主轴支撑近轴承点的温度之差为机床主轴工作状态下的温升。

13、作为优选，所述公式

14、

15、的推导基于以下热膨胀效应模型：

16、

17、其中，其中为机床主轴非工作状态（常温状态）下轴承的游隙，为轴承内外圈受热后径向的膨胀量，为轴承滚子受热后直径的膨胀量，、分别为主轴箱轴承座、主轴受热膨胀后引起的过盈配合变化量。

18、作为优选，所述轴承内外圈受热后径向的膨胀量按以下公式计算：

19、

20、其中，为轴承内外圈的热膨胀系数，为轴承外圈温度，为轴承内圈温度。

21、作为优选，所述轴承滚子受热后直径的膨胀量按以下公式计算：

22、

23、其中，为轴承滚子的热膨胀系数，为滚动体直径，为轴承滚子温度。

24、作为优选，所述主轴箱轴承座受热膨胀后引起的过盈配合变化量按以下公式计算：

25、

26、

27、其中，为轴承与主轴箱轴承座之间因热膨胀产生的装配过盈变化量，为轴承外滚道沟底直径，为主轴箱轴承座外圈直径，为主轴箱轴承座的热膨胀系数，为轴承外圈温度。

28、作为优选，所述主轴受热膨胀后引起的过盈配合变化量按以下公式计算：

29、

30、

31、其中，为轴承与主轴之间因热膨胀产生的装配过盈变化量，为轴承内圈的外径即内滚道沟底直径，为主轴内径，为主轴的热膨胀系数，为轴承内圈温度。

32、作为优选，所述机床主轴轴承为双列短圆柱滚子轴承。

33、作为优选，所述步骤五中，根据计算得到的调整量，通过调整轴承内圈相对主轴轴颈的轴向位置来实现轴承预紧程度的定量调整。

34、本发明的有益效果如下：

35、1）本发明实现了从定性调整到定量调整的跨越。现有技术中，机床主轴轴承预紧程度的测量、评价和调整通常是间接和定性地进行，调整结果的可靠性、一致性和稳定性较低，往往与设计要求之间存在较大误差。本发明通过建立工作状态游隙与常温初始游隙之间的量化关系，给出了定量的调整量，实现了轴承预紧程度的定量调整。

36、2）本发明填补了从工作状态监测到常温调整之间的技术空白，本发明专利cn202311260245.3仅能监测工作状态下的轴承预紧程度，无法直接用于指导常温下的预紧调整。本发明在该专利的基础上，首次给出了从工作状态负游隙量反推常温初始负游隙量的完整计算方法，使得工作状态监测数据能够有效指导常温下的预紧调整。

37、3）本发明提高了调整结果的可靠性、一致性和稳定性，通过定量计算而非经验判断来进行预紧调整，避免了人为因素和不确定因素的影响，确保了调整结果与设计要求的一致性。

38、4）本发明的计算方法简洁、工程实用性强。本发明在综合考虑多种热膨胀因素的基础上，通过合理简化和近似，得到了形式简洁的量化关系式，便于工程实际应用。