一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置，方法包括建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件；计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗；确定轴承轴向变位和预紧力关系；根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双层隔套；隔套热膨胀的伸长量取决于套筒长度，确定套筒轴向尺寸，伸长量要满足对轴承的变位量。本发明专利技术能得到比较准确的设计参数，为调节轴承预紧力的装置提供设计参数，该方法和装置简单实用，基本不改变主轴结构而有效调节轴承预紧力。

【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种克服机床主轴在转速上升过程中摩擦发热产生温度变化，引起轴承预紧力变化限制了机床转速和损害的方法及装置。
技术介绍
目前轴承和润滑是影响机床主轴转速范围主要因素，机械式低速强力铣头适合于大扭矩切削，通常采用预加载荷的角接触滚动轴承，工作转速范围比较小。在使用接触式轴承的主轴结构中，主轴转速越高，发热越严重。主轴发热和轴承预紧力有关。预紧力适当时，对主轴轴承精度、刚度、寿命、阻尼和降低噪声的作用比较明显，随着预紧力加大，摩擦增大，发热增加，降低轴承使用寿命。轴承发热的主要原因是由于转速升高作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加而使摩擦加剧，同时温度升高使轴承热膨胀，增加了预紧力，使摩擦力矩增大。对于机床成对使用的角接触轴承，调节预紧力的方法是调节轴承内外圈的相对轴向位置。自动调节的原理是将温度变化作为调节控制量，采用机械方法推动轴承内圈和外圈轴向产生相对微小位移，改变预紧力。目前已知的预紧力自调节方法有两类，一类是基于测量反馈闭环控制方式的液压预紧力自调节、压电陶瓷预紧力自调节等方法；另一类是根据温度的变化利用材料或介质的热特性进行调节，如温度敏感液体驱动调节和金属材料热伸长特性调节等方法。利用金属材料的热特性，调节轴承预紧力的方法结构简单，基本不改变主轴结构。但是设计参数很难确定，因此应用不多。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法及装置，该方法能得到比较准确的设计参数，为调节轴承预紧力的装置提供设计参数，该方法和装置简单实用，基本不改变主轴结构而有效调节轴承预紧力。为此，本专利技术方法包括步骤如下(1)建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件设定物体与外界接触边界上的温度T0为已知，导热系数为λ，设边界外法线方向热通量q0为已知，且T/n＝-q0/λ为常数，介质与物体间的热交换系数为a，则确定在边界上的热交换条件λ(T/n)＝a(T0-T)然后求得单元温度刚性矩阵{kt}e和总温度矩阵[T]，建立主轴有限元模型，模型单元由面旋转成体，划分网格建立的有限元模型计算方法；热参数计算为，设轴承功率损耗P为主轴上热流率P＝M1×(n×2×π/60)×10-3(W) M1-轴承摩擦力矩，n-主轴转速。摩擦力矩M为M＝M0+M1N·mmM0-由润滑剂引起的流体动力损耗，与润滑剂粘度和润滑剂的量及速度有关主轴导热过程包括轴向和径向导热，选取导热系数和对流换热系数后可以进行发热量和温度场求解，轴承功率损耗为发热源，在轴承支承处按照热流密度进行加载，其余边界按对流换热边界条件处理；(2)计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗；(3)确定轴承轴向变位和预紧力，关糸式为E＝KaFa2/3式中E——轴承内、外圈轴向相对错移量，即轴承的轴向变位；Fa——作用于轴承上的轴向预紧力；Ka——轴承的弹性变形系数，通过这种关系得到轴承预紧力和材料热伸长量的计算数值；(4)根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双层隔套，两种材料的热膨胀率相差大，且热膨胀率大的轴套常温时轴向尺寸较小，在低温时，热膨胀率小的长套筒(1)顶住轴承内圈，对轴承施加预紧载荷，随着转速增加，温度升高，热膨胀率大的短套筒(2)伸长后超出长套筒的长度，推动轴承内圈产生一定变位，控制预紧载荷不会因发热伸长而增大；(5)隔套热膨胀的伸长量取决于套筒长度，确定套筒轴向尺寸，伸长量要满足对轴承的变位量，根据前面介绍的发热计算方法和结果，套筒长度计算如下确定套筒等长时温度Td及轴承工作温度范围T0，通常，Td＜T0。计算达到轴承允许工作温度临界值的最低转速n1下温度降至Tm时的预紧力FT，取Td＜Tm＜T0；计算热膨胀率大的短套筒作用后轴承所受预紧载荷和所要求的轴承预紧变位量E。设Ll和Lg分别为热膨胀率较大的短套筒长度，al和ag为对应热膨胀系数，伸长量由下式计算E＝Llal(Tm-Tt)+Ll-Lgag(Tm-Tt)-LgLlal×(T-Tt)+Ll＝Lgag(T-Tt)+Lg式中Tm是在未改变预紧载荷时转速为n1时的温度，Tt是环境温度，由联立方程组可解出两种材料套筒的设计长度Ll和Lg。当T＜Td，Lg＞Ll，由长套筒施加预紧载荷，当T＞Td，Lg＜Ll，短套筒对轴承施加预紧载荷，当T＞Td，Lg＜Ll，轴承内外圈产生附加变位E，预紧载荷减小，轴承必须在最小预紧载荷Fq下才能正常工作，根据计算轴承处于最小预紧载荷时预紧载荷减小的最大量及对应套筒的伸长量，可计算套筒所允许的最高工作温度Tq。一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的装置为隔套呈圆环形，隔套为双层隔套，隔套由热膨胀率大的短套筒和热膨胀率小的长套筒套设而成，隔套位于主轴两轴承之间，或轴承与对应的机架之间。热膨胀率较小的长套筒套固在热膨胀率较大的短套筒外，膨胀率小的长套筒长度大于膨胀率大的短套筒长度。本专利技术的优点是该方法能得到比较准确的设计参数，为调节轴承预紧力的装置提供设计参数，该方法和装置简单实用，基本不改变主轴结构而有效调节轴承预紧力。本专利技术几乎在不改变机床结构的情况下实现功能，其实用价值较大。实验证明本专利技术能够从原理较为容易地进入实用。附图说明图1为本专利技术的装置使用状态示意2为本专利技术的划分有限元的主轴微预紧状态下2000r/min节点温度分布示意3为各种预紧载荷下主轴温度-转速曲线4为各种转速下主轴温度-预紧力曲线5为铝套和钢套的受热伸长量对比6为中预紧开始调节的温度-转速曲线7为从重预紧载荷开始调节的温度-转速曲线8为用油雾润滑后套筒设计及调节计算曲线9为本专利技术的装置结构示意图具体实施方案如图1至图9所示，轴承发热的主要原因是由于转速升高作用在轴承滚珠上的离心力和陀螺力矩增加而使摩擦加剧，同时温度升高使轴承热膨胀，增加了预紧力，使摩擦力矩增大。轴承预紧力自动调节的第一步是确定主轴发热和温升计算方法。(1)建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件建立热分析模型引起主轴温升的主要因素是滚动轴承的摩擦力矩及主轴的导热、散热条件等。主轴上有3个7018C，2个7016C轴承。建立有限元模型进行主轴热分析，主要是确定模型的网格划分和计算导热系数、热流率及对流换热系数等参数。主轴轴承发热属于渐变温度场，开始具有明显的不定态特征，但随时间的推移，最终可转化为稳态传热过程。主轴及轴承在有限元法分析中，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件设定物体与外界接触边界上的温度T0为已知；导热系数为λ，设边界外法线方向热通量q0为已知，且T/n＝-q0/λ为常数，介质与物体间的热交换系数为a，则确定在边界上的热交换条件 λ(T/n)＝a(T0-T)(1)然后求得单元温度刚性矩阵{kg}e和总温度矩阵[T]。建立主轴有限元模型，模型单元由面旋转成体，划分网格建立的有限元模型如图2所示。热参数计算轴承的热量产生及热传导过程比较复杂，需做一些简化。设轴承转动时产生的热量主要来自于轴承的滚动摩擦。忽略其它比较小的摩擦影响，例如接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法，其特征在于：包括步骤如下：（１）建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件：设定物体与外界接触边界上的温度Ｔ↓［０］为已知，导热系数为 λ，设边界外法线方向热通量ｑ↓［０］为已知，且＊Ｔ／＊ｎ↓［＊］＝－ｑ↓［０］／λ为常数，介质与物体间的热交换系数为ａ，则确定在边界上的热交换条件：λ（＊Ｔ／＊ｎ）＝ａ（Ｔ↓［０］－Ｔ）然后求得单元温度刚性矩阵｛ｋ↓［ｔ］｝ ↑［ｅ］和总温度矩阵［Ｔ］，建立主轴有限元模型，模型单元由面旋转成体，划分网格建立的有限元模型计算方法；热参数计算为，设轴承功率损耗Ｐ为主轴上热流率：Ｐ＝Ｍ↓［１］×（ｎ×２×π／６０）×１０↑［－３］（Ｗ）Ｍ↓ ［１］－轴承摩擦力矩，ｎ－主轴转速。摩擦力矩Ｍ为：Ｍ＝Ｍ↓［０］＋Ｍ↓［１］Ｎ.ｍｍＭ↓［０］－由润滑剂引起的流体动力损耗，与润滑剂粘度和润滑剂的量及速度有关主轴导热过程包括轴向和径向导热，选取导热系数和 对流换热系数后可以进行发热量和温度场求解，轴承功率损耗为发热源，在轴承支承处按照热流密度进行加载，其余边界按对流换热边界条件处理；（２）计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗；（３）确定轴承轴向变位和预 紧力，关糸式为：Ｅ＝Ｋ↓［ａ］Ｆ↓［ａ］↑［２／３］式中：Ｅ－轴承内、外圈轴向相对错移量，即轴承的轴向变位；Ｆ↓［ａ］－作用于轴承上的轴向预紧力；Ｋ↓［ａ］－轴承的弹性变形系数，通过这种关系得到轴承预紧力和材 料热伸长量的计算数值；（４）根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双层隔套，两种材料的热膨胀率相差大，且热膨胀率大的轴套常 温时轴向尺寸较小，在低温时，热膨胀率小的长套筒（１）顶住轴承内圈，对轴承施加预紧载荷，随着转速增加，温度升高，热膨胀率大的短套筒（２）伸长后超出长套筒的长度，推动轴承内圈产生一定变位，控制预紧载荷不会因发热伸长而增大；（５）隔套热膨 胀的伸长量取决于套筒长度，确定套筒轴向尺寸，伸长量要满足对轴承的变位量，根据前面介绍的发热计算方法和结果，套筒长度计算如下：确定...

【技术特征摘要】
1.一种利用金属材料的热特性调节轴承预紧力的方法，其特征在于包括步骤如下(1)建立确定主轴发热和温升热分析模型，对于轴对称结构的温度分布采用圆柱坐标系，确定边界条件设定物体与外界接触边界上的温度T0为已知，导热系数为λ，设边界外法线方向热通量q0为已知，且T/n|τ＝-q0/λ为常数，介质与物体间的热交换系数为a，则确定在边界上的热交换条件λ(T/n)＝a(T0-T)然后求得单元温度刚性矩阵{kt}e和总温度矩阵[T]，建立主轴有限元模型，模型单元由面旋转成体，划分网格建立的有限元模型计算方法；热参数计算为，设轴承功率损耗P为主轴上热流率P＝M1×(n×2×π/60)×10-3(W)M1-轴承摩擦力矩，n-主轴转速。摩擦力矩M为M＝M0+M1N·mmM0-由润滑剂引起的流体动力损耗，与润滑剂粘度和润滑剂的量及速度有关主轴导热过程包括轴向和径向导热，选取导热系数和对流换热系数后可以进行发热量和温度场求解，轴承功率损耗为发热源，在轴承支承处按照热流密度进行加载，其余边界按对流换热边界条件处理；(2)计算主轴前后轴承在不同转速、不同预紧力状态摩擦发热和功率损耗；(3)确定轴承轴向变位和预紧力，关糸式为E＝KaFa2/3式中E--轴承内、外圈轴向相对错移量，即轴承的轴向变位；Fa--作用于轴承上的轴向预紧力；Ka--轴承的弹性变形系数，通过这种关系得到轴承预紧力和材料热伸长量的计算数值；(4)根据上述计算的数据，选择制作双层隔套的两种热膨胀率相差大的材料，将主轴前端两轴承间的隔套、或轴承与对应的机架之间的隔套换为由两种材料制作的长度不同的双层隔套，两种材料的热膨胀率相差大，且热膨胀率大的轴套常温时轴向尺寸较小，在低温时，热膨胀率小的长套筒(1)顶住轴承内圈，对轴承施加预紧载...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨庆东，王科社，孟玲霞，
申请(专利权)人：北京机械工业学院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]