轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方法

摘要

本发明提供了一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方法：实验主轴上部件主要包括一对背靠背形式安装的角接触球轴承、一个锁紧螺母和一个隔圈，通过在主轴与轴承内圈的配合面之间使用不同厚度的微米级薄垫片来改变主轴与轴承之间的过盈量大小，在主轴端部施加轴向载荷、径向载荷模拟主轴切削加工工况，测试不同过盈量下主轴系统的静刚度、回转精度、温升和振动，并通过锤击法测试主轴系统模态特性，本发明简化主轴系统结构，排除其他装配参数对轴系性能的影响，可以较为全面、方便的测试轴承过盈量对主轴系统性能影响的规律。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方 法，具体涉及考虑不同的轴承内圈与主轴的过盈配合参数在实验装置中的实现 方式，并通过实验测试方法对不同过盈配合量情况下的主轴系统静刚度、轴承 外圈温度、轴系回转精度、主轴振动、固有频率等性能进行测试。

背景技术

在高速主轴-轴承系统中，轴承内圈与主轴采用过盈配合进行连接，一方面 其结构简单，另一方面可以使得定心精度较高。然而，过盈配合量大小的选取 与主轴系统所处的加工工况(如主轴转速、切削力、切削速度等)有关，随着 机床主轴加工工况的改变，在离心效应和热效应等因素的综合影响下，主轴和 轴承内圈均会发生变形，导致二者连接状态发生改变，进一步影响轴系的加工 性能。过盈量选取过大往往会使得主轴与轴承的装配困难，甚至导致二者配合 面的损伤；而过盈量选取过小又会造成主轴与轴承的松脱，引起配合面打滑， 导致轴系振动、温升增大等问题。因此，需要对主轴与轴承内圈过盈量的定量 选取进行研究。

目前在主轴转子与轴承内圈过盈量的实验装置和测试研究方面较为欠缺， 缺乏针对过盈量对轴系性能影响分析的实验装置，难以对过盈量改变对轴系性 能的影响规律进行系统研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装 置和测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置，该实验装置包括电 主轴、轴承座、过盈量实验主轴以及用于测试主轴系统性能的检测模块，所述 过盈量实验主轴上设置有一对背靠背安装的角接触球轴承，过盈量实验主轴通 过所述一对背靠背安装的角接触球轴承支撑于轴承座内，所述一对背靠背安装 的角接触球轴承的一侧设置有与过盈量实验主轴相连的锁紧螺母，锁紧螺母的 外侧设置有与轴承座的一端相连的可拆卸的端盖，所述端盖以及锁紧螺母分别 从所述轴承座的一端对所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈以及内圈进 行顶紧，所述一对背靠背安装的角接触球轴承的另一侧设置有与过盈量实验主 轴相连的隔圈，隔圈的一端与设置于过盈量实验主轴上的轴肩接触，隔圈的另 一端与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的内圈接触，设置于轴承座的另一 端的挡肩与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈接触，过盈量实验主轴 的一端设置有用于连接电主轴的法兰，过盈量实验主轴的另一端设置有用于对 过盈量实验主轴施加径向力的液压缸或力锤，过盈量实验主轴与所述一对背靠 背安装的角接触球轴承的内圈配合面之间设置有微米级薄垫片，为了简化主轴 系统结构，排除其他装配参数对轴系性能的影响，实验主轴长度较短，轴上部 件主要包括一对背靠背形式安装的角接触球轴承、一个锁紧螺母和一个隔圈， 且在实验主轴与轴承安装时根据不同大小的过盈量要求，在实验主轴的轴承安 装位置可更换使用不同厚度的微米级薄垫片，使主轴系统中主轴和轴承的过盈 量可变。

所述实验装置可以进行的主轴系统性能测试包括静刚度测试、轴系回转精 度测试、模态特性测试、振动测试以及轴承温度测试。

所述检测模块包括温度传感器、三向加速度传感器、电容位移传感器以及 千分表；在轴承座上沿径向开设有两个通孔，两个通孔内分别设置有温度传感 器，便于直接测试前后两个轴承处的温升；三向加速度传感器设置于轴承座顶 端上(用于测试实验主轴运转过程中的轴系振动情况)或者设置于过盈量实验 主轴上，三向加速度传感器与过盈量实验主轴的接触点位于所述力锤对过盈量 实验主轴敲击点的对侧；过盈量实验主轴的轴段周向设置有三个电容位移传感 器，用于测试轴系回转精度；千分表与过盈量实验主轴的接触点位于所述液压 缸与过盈量实验主轴的接触点的对侧。

所述实验装置还包括铸铁平台以及与轴承座相连的支架，根据实验具体测 试要求，轴承座通过所述支架安装在铸铁平台相应位置上，电主轴以及液压缸 设置在铸铁平台上。

所述隔圈为阶梯状，隔圈的周向与轴承座之间留有间隙，锁紧螺母用于轴 向定位所述角接触球轴承，隔圈一方面可以配合锁紧螺母对轴承进行预紧，另 一方面起到辅助拆卸轴承的作用。

所述一对背靠背安装的角接触球轴承的两个轴承之间无隔圈。

一种基于上述轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置的轴承过盈 量对主轴系统性能影响的测量方法，包括以下步骤：

通过在所述过盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承内圈的 配合面之间使用不同厚度的微米级薄垫片来改变所述过盈量实验主轴与所述一 对背靠背安装的角接触球轴承之间的过盈量大小，然后利用所述电主轴或液压 缸在所述过盈量实验主轴端部施加轴向载荷或径向载荷以模拟主轴切削加工工 况，然后测试不同过盈量下主轴系统的静刚度、回转精度、轴承温升和振动， 同时，利用所述力锤通过锤击法测试对应过盈量下主轴系统的模态特性，从而 获得轴承过盈量对主轴系统性能影响的规律。

改变所述过盈量大小时，先将所述端盖打开，再拆卸所述锁紧螺母，然后 使用轴承拉拔器将所述一对背靠背安装的角接触球轴承沿过盈量实验主轴顶出 轴承座，然后更换不同厚度的微米级薄垫片，更换后的微米级薄垫片吸附在过 盈量实验主轴上，然后结合热装法将所述一对背靠背安装的角接触球轴承顶回 轴承座，然后重新安装所述锁紧螺母以及端盖；或者，改变所述过盈量大小时， 先将所述端盖打开，再拆卸所述锁紧螺母，然后直接将轴承座拆开，然后将过 盈量实验主轴与所述一对背靠背安装的角接触球轴承一并取出，然后将所述一 对背靠背安装的角接触球轴承与过盈量实验主轴分离，然后更换不同厚度的微 米级薄垫片，更换后的微米级薄垫片吸附在过盈量实验主轴上，然后采用热装 法将所述一对背靠背安装的角接触球轴承装回至过盈量实验主轴上，然后重新 装回轴承座并安装所述锁紧螺母以及端盖。

所述静刚度测试中，过盈量实验主轴的径向位移由千分表测量得到，与千 分表测量方向相对的加载力由所述液压缸提供；所述回转精度测试中，利用电 主轴驱动主轴系统运转，使用三个电容位移传感器在主轴系统运转过程中测量 过盈量实验主轴的径向位移，并采用三点法对测量数据进行分析处理，得到主 轴系统的回转精度；所述轴承温升测试中，通过轴承座上开设的两个通孔将温 度传感器与所述一对背靠背安装的角接触球轴承的外圈接触，从而实时测量轴 承外圈的温升；所述振动测试中，利用电主轴驱动主轴系统运转，主轴系统运 转过程的振动信号由安装在轴承座顶端上的三向加速度传感器获得，通过对振 动信号进行处理，得到主轴系统的振动幅值以及振动频率；所述模态特性测试 中，使用所述力锤在三向加速度传感器的对侧对过盈量实验主轴进行径向敲击， 并通过LMS数据采集系统得到力锤激励信号及加速度传感器响应信号，通过数 据分析，得到主轴系统的频率响应函数；通过改变三向加速度传感器的位置， 得到主轴系统不同点的频率响应函数，然后采用集总参数法得到主轴系统的固 有频率和模态振型。

本发明的有益效果体现在：

本发明中实验主轴上部件主要包括一对背靠背形式安装的角接触球轴承、 一个锁紧螺母和一个隔圈，可以较为方便的调整轴承内圈与主轴的过盈量，为 过盈量的定量计算或优化设计提供了实验测试装置，有助于轴承与主轴配合参 数的合理选取，避免传统的利用经验来确定轴承过盈量所存在的问题，例如主 轴性能无法到达最优化。本发明可以对不同过盈量情况下的主轴系统进行全面、 准确的性能测试，包括主轴系统静刚度、轴承外圈温度、轴系回转精度、主轴 振动、固有频率等，测试结果可以为过盈量对主轴系统的影响规律研究提供参 考。

附图说明

图1为主轴轴承过盈量测试用主轴结构示意图；

图2为主轴轴承过盈量实验测试系统示意图；

图3为主轴与轴承内圈过盈量改变示意图；

图4为不同过盈量下主轴系统静刚度测试示意图；其中：a为立体图；b为 a的主轴前端侧视图；

图5为不同过盈量下主轴系统回转精度测试示意图；

图6为不同过盈量下主轴系统模态特性测试示意图；

图7为不同过盈量下主轴系统振动测试示意图；

图8为不同过盈量下主轴系统轴承温度测试示意图；其中：a为立体图；b 为a的剖视图；

图中：1-过盈量实验主轴；2-锁紧螺母；3-端盖；4-螺钉；5-轴承座；6- 角接触球轴承；7-隔圈；8-铸铁平台；9-支架；10-电主轴；11-微米级薄垫片； 12-千分表；13-液压缸；14-电容位移传感器；15-三向加速度传感器；16-温度 传感器；17-法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。

本发明提供一种轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置和测量方 法，通过在主轴与轴承内圈的配合面之间使用不同厚度的微米级薄垫片来改变 主轴与轴承之间的过盈量大小。在主轴端部施加轴向载荷、径向载荷模拟主轴 切削加工工况，测试不同过盈量下主轴系统的静刚度、回转精度、温升和振动， 并通过锤击法测试主轴系统模态特性。

如图1和图2所示，所述轴承过盈量对主轴系统性能影响的研究实验装置， 包括以下模块：铸铁平台8，驱动用电主轴10及其伺服驱动系统和润滑冷却系 统，测试主轴系统，轴向加载系统(电主轴10)、径向加载系统(液压缸13以 及力锤)以及主轴系统性能测试系统(包括对应的传感器)。

(1)主轴与轴承过盈配合量测试用实验主轴(测试主轴系统)安装在铸铁 平台8上，测试主轴系统包括以下零部件：过盈量实验主轴1、2个角接触球轴 承6、隔圈7、轴承座5、锁紧螺母2以及端盖3。其装配关系如下：过盈量实 验主轴1的轴承配置选用最简单的两支撑背靠背的轴承配置形式，以尽可能消 除其他装配因素对过盈配合量(过盈量)的影响。前端角接触球轴承6与过盈 量实验主轴1轴肩之间使用具有阶梯的短隔圈7(内侧直径小，外侧直径大，与 轴承座存在间隙)，便于实验过程中的轴承拆卸。2个角接触球轴承6与过盈量 实验主轴1通过后端的锁紧螺母2进行固定，形成主轴轴承系统部件，将主轴 轴承系统部件安装到轴承座5中(通常水平安装)，通过轴承座5后端的端盖3 进行固定，并用螺钉4拧紧，从而形成所述测试主轴系统，过盈量实验主轴1 后端具有法兰17，用于与电主轴10的前端法兰连接。

(2)为了对主轴系统性能进行测试，在实验装置上布置相应传感器。具体 详述如下：轴承座5上沿径向开有两个用于安装温度传感器16的小孔，孔的轴 向位置对应两个角接触球轴承6在宽度(轴向)上的中心位置，便于直接测试 前后角接触球轴承处的温升情况；在过盈量实验主轴1最前端的轴段沿周向布 置三个电容位移传感器14，用于测量不同过盈配合量下的轴系回转精度；轴承 座5顶端可安装三向加速度传感器15，用于测试不同过盈配合量下主轴系统运 转过程中的轴系振动情况，该三向加速度传感器15还可设置在过盈量实验主轴 1前端不同位置上，配合力锤对过盈量实验主轴1的径向敲击，实现固有频率等 模态特性的测试；过盈量实验主轴1前端还可设置千分表12，与液压缸13配合， 实现静刚度测试。总之，整个实验装置可以进行主轴系统静刚度、轴承外圈温 度、轴系回转精度、主轴振动、固有频率等性能测试。

为了实现主轴系统中主轴和角接触球轴承6的过盈量可变，在安装过程中， 根据实际实验测试对过盈量的需求，在主轴和角接触球轴承6内圈之间使用不 同厚度的微米级薄垫片11，如图3所示。在实验过程中，需更换不同厚度的微 米级薄垫片11，以实现角接触球轴承6与主轴的不同的过盈配合量。其具体的 拆装方式如下：装配时，一对(2个)角接触球轴承6在过盈量实验主轴1上的 安装形式为背靠背，通过在过盈量实验主轴1上周向缠绕微米级薄垫片(采用 航空煤油吸附在主轴上)，再将2个角接触球轴承6以热装形式与过盈量实验主 轴1进行装配，并通过锁紧螺母2将2个角接触球轴承6轴向固定在过盈量实 验主轴1上，微米级薄垫片11位于角接触球轴承6与过盈量实验主轴1的配合 面之间，形成主轴轴承系统部件。将主轴轴承系统部件整体装入轴承座5，并在 轴向以轴承座前端的挡肩进行定位，最后在后端采用端盖3压紧，并用螺钉4 拧紧固定。当需要改变过盈量时，先将后端端盖3打开，再拆卸锁紧螺母2，然 后使用轴承拉拔器将2个角接触球轴承6顶出，更换不同厚度的微米级薄垫片 11，进而重复装配过程，从而更换不同厚度的垫片，以达到实验过程中不同过 盈量下轴系性能的测试需求。

主轴系统静刚度测试过程中，如图4所示，使用液压缸13对过盈量实验主 轴1前端轴段进行径向力的施加，同时通过安装在过盈量实验主轴1前端的千 分表12测量该主轴的径向位移。根据所测量的过盈量实验主轴1的径向位移和 所读取的径向施加力，进行主轴系统静刚度的计算。进行多次测试取平均值， 得到主轴系统的静刚度。根据实验需要，对不同过盈量下的轴系静刚度进行测 试，得到过盈量对轴系静刚度的影响规律。

主轴系统回转精度测试过程中，如图5所示，在主轴系统运转过程中(由 电主轴10驱动)，使用电容位移传感器14对过盈量实验主轴1前端径向位移进 行测试。三个电容位移传感器布置在过盈量实验主轴1前端轴段的周向位置， 通过数采系统实时采集并记录过盈量实验主轴1前端的径向位移，最后采用三 点法对所测量数据进行分析处理，得到不同过盈量情况下的轴系回转精度。

主轴系统模态特性测试过程中，如图6所示，首先将三向加速度传感器15 安装在过盈量实验主轴1前端，使用力锤在三向加速度传感器15的对侧对过盈 量实验主轴1进行径向敲击，通过LMS数据采集系统采集得到力锤激励信号及 加速度传感器的响应信号，通过数据分析，得到主轴系统的频率响应函数；进 而通过改变三向加速度传感器15在过盈量实验主轴1上的位置，重复进行频率 响应函数测量，可以得到过盈量实验主轴1不同点的响应，然后采用集总参数 法，可以得到主轴系统的固有频率和模态振型。根据实验需要，对不同过盈量 下的轴系模态特性进行测试，得到过盈量对轴系模态特性的影响规律。

主轴系统振动测试过程中，如图7所示，在主轴系统运转过程中，通过安 装在轴承座5上的三向加速度传感器15获得主轴系统的振动信号，包括过盈量 实验主轴1的轴向振动和两个相互垂直的径向振动信号。通过对不同过盈量情 况下所采集的振动信号进行分析处理，可以得到不同过盈量情况下主轴系统的 振动幅值以及振动频率情况，从而可以获得过盈量对主轴系统的振动幅值以及 振动频率的影响规律情况。

轴承外圈温度测试过程中，如图8所示，将两个温度传感器16分别安装在 轴承座5上开设的两个小孔内，温度传感器可以与两个角接触球轴承6的外圈 直接接触，在主轴系统运转过程中，可以实时测量记录不同过盈量情况下主轴 系统轴承处的温升情况，得到过盈量对轴系温度的影响规律。