1、 !“#$ 数 控 机 床 滚 珠 丝 杠 轴 承 的 支 承 刚 度 分 析张 宏 柱 汪 世 益（ 安 徽 工 业 大 学 机 械 工 程 学 院 ， 安 徽 马 鞍 山 % -?15.86， *.125 A.5B8C5:6 - .C1. % 78G2?8 :18 .8J -M5E I C:5EC-， /5B8C :18 8M5E I E-G ./2E ?-.:?:HEE H85./ .G :12C: H85./;()*+,%-#： NEE N85./； 4:5?: *./2E； O8E-G. 滚 珠 丝 杠 的 支 承 型 式滚 珠 丝 杠 在 数 控 机 床 中 安 装 方 式 一 般
2、 有 以 下 几种 ：（ !） 一 端 固 定 ， 一 端 自 由 ；（ %） 一 端 固 定 ， 一 端 游 动 ；（ ） 两 端 固 定 。目 前 国 内 主 要 采 用 两 种 轴 承 组 合 安 装 方 式 !： 一种 是 把 向 心 轴 承 和 圆 锥 轴 承 组 合 使 用 ， 其 结 构 简 单 ， 但轴 向 刚 度 不 足 。 另 一 种 是 把 推 力 轴 承 或 角 接 触 球 轴 承和 向 心 轴 承 组 合 使 用 ， 其 轴 向 刚 度 有 了 提 高 ， 但 增 大 了轴 承 的 摩 擦 阻 力 和 发 热 ， 而 且 增 加 了 轴 承 支 架 的 结 构尺 寸
3、。 也 有 使 用 滚 针 P 推 力 圆 柱 滚 子 轴 承 这 样 的 “ 组合 轴 承 ” ， 应 用 在 重 载 荷 、 高 刚 度 要 求 场 合 下 。 国 外 还出 现 了 滚 珠 丝 杠 专 用 轴 承 ， 这 是 一 种 特 殊 的 角 接 触 球轴 承 ， 其 接 触 角 增 大 到 “#Q， 能 够 承 受 很 大 的 轴 向 力 。现 在 一 般 中 小 型 数 控 机 床 多 采 用 推 力 轴 承 以 及 角 接 触球 轴 承 这 两 大 类 轴 承 。/ 支 承 轴 承 接 触 计 算在 一 般 情 况 下 ， 丝 杠 轴 承 受 径 向 、 轴 向 和 力 矩
4、联 合载 荷 作 用 时 ， 轴 承 内 外 套 圈 将 产 生 径 向 、 轴 向 相 对 位 移和 相 对 倾 角 。 这 种 弹 性 位 移 量 的 大 小 就 会 对 机 床 的 定位 精 度 产 生 重 要 影 响 ， 反 映 了 支 承 轴 承 的 一 种 使 用 性能 ， 即 刚 度 指 标 。 轴 承 的 刚 度 定 义 为 轴 承 内 外 套 圈 产生 单 位 相 对 弹 性 位 移 量 所 需 的 外 加 载 荷 %。/;. 实 际 接 触 角 和 轴 向 变 形 的 计 算由 于 滚 珠 丝 杠 主 要 承 受 轴 向 载 荷 ， 因 此 丝 杠 轴 承的 轴 向 刚 度
5、 要 求 很 高 。 当 在 轴 向 中 心 载 荷 作 用 时 ， 轴承 各 滚 动 体 的 负 荷 分 布 相 同 ， 与 内 外 套 圈 的 接 触 角 相等 。 如 图 ! 所 示 ， 轴 承 的 原 始 接 触 角 !#受 轴 向 载 荷!作 用 后 ， 因 接 触 变 形 的 影 响 ， 内 外 套 圈 沿 轴 向 有 相对 趋 近 量 “!， 沿 接 触 线 的 法 向 有 弹 性 趋 近 量 “， 实 际接 触 角 变 为 !。根 据 R-.8C 的 滚 道 控 制 理 论 和 图 ! 的 变 形 协 调 关系 ， 得 到 式 （ !） ?-C!#?-C!# ! $%&* 0
6、?&*） 迭 代 方 程 ， 执 行 计算 机 程 序 ， 并 可 求 得 不 同 原 始 接 触 角 的 轴 承 在 承 载 后的 实 际 接 触 角 。 在 知 道 了 实 际 接 触 角 后 ， 利 用 式 （ “）就 可 精 确 地 计 算 出 轴 承 在 轴 向 载 荷 作 用 下 的 变 形 量 ，结 果 如 表 ! 和 图 - 所 示 。表 # 轴 向 载 荷 作 用 下 的 接 触 角 !*!（ +!+“）,（ 4, $+）!(!2 +( +2 -( -2 1( 12 “(+8 11+ +(8 6-3 +18 -! +68 (+“ -+8 1-2 -28 652 1!8 16!
7、 1“8 !56 “(8 “!-8 “+ +8 !6! +28 -1! +68 5+( -8 (66 -“8 21- 1!8 6+! 1“8 2-3 “(8 36218 55- +-8 !63 +“8 !53 -(8 15“ -8 “1 -38 (+! 1+8 +61 1“8 51! “(8 62“8 !(1 +18 (13 +“8 6!- -!8 (“5 -18 !“+ -38 112 1+8 “+5 138 !1 “!8 !(+38 -+2 +18 356 +38 22- -!8 256 -18 “! -38 5-( 1+8 6- 138 -“2 “!8 +-558 212 +28 12(
8、 +58 !+6 -+8 (“- -28 (+! -58 !51 1-8 +!2 138 265 “!8 -“168 3“ +“8 (15 +58 “22 -+8 166 -28 1(! -58 2!- 1-8 135 138 5!“ “!8 15-表 ! 列 出 了 不 同 原 始 接 触 角 轴 承 在 承 载 后 的 接 触角 变 化 大 小 ； 图 - 给 出 了 不 同 原 始 接 触 角 轴 承 轴 向 载荷 位 移 曲 线 。 从 表 ! 和 图 - 中 可 以 看 出 ：（ !） 原 始 接 触 角 !(越 大 ， 则 承 载 后 接 触 角 变 化 较小 ；（ +） 轴 向
9、载 荷 *!增 大 ， 承 载 后 的 实 际 接 触 角 ! 变化 越 大 ；（ -） 原 始 接 触 角 !(越 大 ， 其 轴 向 变 形 越 小 ， 即 轴 !“#$ 承 的 轴 向 刚 度 就 越 高 ；（ %） 轴 向 载 荷 与 变 形 之 间 是 非 线 性 关 系 。实 际 应 用 中 ， 还 应 根 据 外 载 荷 确 定 最 佳 的 原 始 接触 角 。 若 !&过 小 ， 可 用 适 度 游 隙 的 深 沟 球 轴 承 替 代 ；若 !&过 大 ， 滚 动 体 在 运 动 时 将 会 发 生 强 烈 自 旋 ， 从 而导 致 较 大 的 摩 擦 与 温 升 %。! 轴
10、承 预 紧轴 承 刚 度 的 提 高 ， 还 可 以 通 过 预 紧 来 实 现 。 预 紧是 使 轴 承 滚 动 体 和 内 外 套 圈 之 间 产 生 一 定 的 预 变 形 ，以 保 持 轴 承 内 外 套 圈 均 处 于 压 紧 状 态 。 预 紧 可 增 加 轴承 刚 度 ， 减 小 轴 承 振 动 噪 声 ， 延 长 轴 承 寿 命 。 因 此 ， 丝杠 轴 承 工 作 中 都 采 取 预 紧 办 法 。!“ 预 紧 方 法在 支 承 滚 珠 丝 杠 时 ， 当 采 用 角 接 触 球 轴 承 时 ， 常 把轴 承 成 对 使 用 并 预 紧 。 按 照 施 加 预 载 荷 的 方
11、 式 ， 可 分为 定 位 预 紧 和 定 压 预 紧 。 定 位 预 紧 时 轴 承 间 距 保 持 不变 ； 定 压 预 紧 时 预 紧 载 荷 保 持 不 变 。 一 般 在 要 求 高 刚度 时 宜 用 定 位 预 紧 ， 而 高 速 运 转 时 ， 则 采 用 定 压 预 紧 ，它 对 提 高 系 统 支 承 刚 度 不 显 著 。 当 采 用 推 力 和 推力 向 心 轴 承 时 ， 应 根 据 实 际 机 床 工 作 情 况 ， 考 虑 预 加 轴向 载 荷 。!# 预 紧 值 的 选 取定 位 预 紧 时 ， 应 使 滚 动 体 与 滚 道 始 终 保 持 接 触 。在 纯 轴
12、 向 载 荷 作 用 时 ， 避 免 出 现 “ 卸 紧 ” 现 象 ， 此 时 ， 最小 的 预 紧 载 荷 值 “!&()*为 “!&()*,&+ ,“!（ !&）当 丝 杠 轴 承 为 推 力 轴 承 或 推 力 向 心 轴 承 时 ， 惯 性力 矩 将 使 滚 动 体 相 对 套 圈 滚 道 产 生 回 转 滑 动 ， 引 起 滚道 和 滚 动 体 磨 损 。 增 大 滚 道 对 滚 动 体 的 摩 擦 力 矩 ， 可以 防 止 由 惯 性 力 矩 引 起 的 回 转 滑 动 ， 故 不 发 生 回 转 滑动 的 条 件 是#“$ #%式 中 #“ 轴 向 载 荷 引 起 的 滚 道
13、对 滚 动 体 的 摩 擦力 矩#% 惯 性 力 矩 ， - (因 此 ， 为 防 止 产 生 回 转 滑 动 ， 必 须 对 推 力 轴 承 作 用一 个 轴 向 载 荷 ， 其 最 小 的 预 紧 载 荷 值 “!&()*计 算 公 式 .为“!&()*,&+ !&!&( )“#（ !）式 中 & 额 定 静 载 荷 ， /0 轴 承 转 速 ， 12 ()*预 紧 虽 然 能 取 得 很 好 效 果 ， 但 预 紧 量 过 大 ， 会 增 加轴 承 摩 擦 和 降 低 使 用 寿 命 。 需 要 根 据 经 验 和 实 验 确 定合 适 的 预 紧 载 荷 值 。$ 结 语由 于 滚 珠
14、 丝 杠 主 要 承 受 轴 向 载 荷 ， 故 丝 杠 轴 承 以角 接 触 球 轴 承 （ &3 4 !&4%3） 、 推 力 角 接 触 球 轴 承 （ %34 !&45&3） 和 推 力 轴 承 （ !&6 5&3） 应 用 较 多 。 支 承 刚度 的 提 高 有 助 于 机 床 进 给 系 统 的 传 动 刚 度 增 大 ， 提 高支 承 刚 度 应 从 以 下 几 点 综 合 考 虑 ：（ !） 选 择 较 大 的 原 始 接 触 角 的 轴 承 可 以 提 高 支 承刚 度 ；（ #） 计 算 轴 承 刚 度 时 ， 以 本 文 考 虑 接 触 角 变 化 的刚 度 公 式 （
15、 7） 计 算 较 为 准 确 ；（ ,） 预 紧 可 以 增 大 轴 承 刚 度 ， 但 最 佳 预 紧 量 的 选择 需 要 优 化 计 算 7；（ %） 推 力 轴 承 中 惯 性 力 矩 最 大 ， 要 保 证 轴 向 预 紧克 服 惯 性 力 矩 引 起 的 滑 动 ；（ ） 一 般 转 速 下 ， 滚 动 体 的 离 心 力 和 弹 性 流 体 动力 润 滑 性 能 对 轴 承 刚 度 影 响 可 以 忽 略 。参 考 文 献! 张 建 钢 + 数 控 技 术 + 武 汉 ： 华 中 科 技 大 学 出 版 社 ， #&+# 万 长 森 + 滚 动 轴 承 的 分 析 方 法 +
16、北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， !57.+, 冈 本 纯 三 （ 日 ） + 球 轴 承 的 设 计 计 算 + 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， #&,+% 杨 晓 蔚 + 根 据 负 荷 确 定 角 接 触 球 轴 承 的 最 佳 接 触 角 + 轴 承 ， !55%（ 5） ： , 8“ 王 雪 清 + 轴 承 使 用 时 的 预 紧 情 况 分 析 + 轴 承 ， #&!（ #） ： ! 8!7“ 贾 群 义 + 角 接 触 球 轴 承 预 紧 量 的 计 算 及 选 择 + 轴 承 ， !55“（ !） ： 8. 刘 泽 九 + 滚 动 轴 承 的 额 定 负
17、荷 与 寿 命 + 北 京 ： 机 械 工 业 出 版 社 ， !57#+7 郑 艳 萍 + 采 用 多 目 标 函 数 确 实 角 接 触 球 轴 承 的 最 佳 预 载 荷 + 轴 承 ，#&（ ） ： !, 8!“第 一 作 者 ： 张 宏 柱 ， 男 ， !5.5 年 生 ， 硕 士 研 究 生 ， 主要 研 究 方 向 ： 数 控 技 术 、 再 制 造 技 术 。（ 编 辑 徐 洁 兰 ） $ （ 收 稿 日 期 ： #&. 9&“ 9!） $ $文 章 编 号 ： 7%#如 果 您 想 发 表 对 本 文 的 看 法 ， 请 将 文 章 编 号 填 入 读 者 意 见 调 查 表 中 的 相 应 位 置 。
