机床主轴电机轴承配合公差与径向游隙的计算与分析.pdf

2 0 1 3年 1月 第 4 1卷 第2期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 3 Vo 1 ． 41 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 6 机床主轴电机轴承配合公差与径向游隙的计算与分析 舒鹏程 ，唐先全 广州数控设备有限公司，广东广州5 1 0 1 6 5 摘要轴承的配合公差与径向游隙对机床振动、噪声 、电机温升以及轴承寿命有很大影响，因此对轴承的配合公差与 径向游隙进行计算与分析很有意义。讨论了影响轴承配合公差和径向工作游隙的几个因素，基于数值计算和理论分析，提 出了与轴承配合的轴颈和轴承座孔的配合公差、轴承原始径向游隙组的选择方案。 关键词主轴电机； 配合公差 ；径向游隙 中图分类号T H 1 3 3 ． 3 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 1 8 3 Ana l y s i s a nd Ca l c ul a t i o n o n Ra d i a l Cl e a r a n c e a n d Fi t To l e r a n c e o f M o t o r Be a r i ng s i n M a c h i n e To o l S p i n d l e S HU P e n g c h e n g ． r AN G Xi a n q u a n G S K C N C E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 1 6 5 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e v i b r a t i o n n o i s e f r o m ma c h i n e t o o l s ．t e mp e r a t u r e r i s e i n e l e c t r i c mo t o r s a n d s e r v i c e l i f e o f b e a rin g a r e e n o r mo u s l y i mp a c t e d b y t h e fi t t o l e r a n c e a n d r a d i a l i n t e r n a l c l e a r a n c e o f b e a r i n g s ．T h e r e f o r e，t h e r e i s i mp o r t a n t s i g n i fi c a n c e t o ma k e a n a l y s i s a n d c a l c u l a t i o n o f t h e m．T h e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o n fi t t o l e r a n c e a n d w o r k i n g r a d i a l i n t e rna l c l e a r a n c e o f b e a rin g s we r e d i s c u s s e d ． Me a n - w h i l e ，b a s e d o n t h e o r e t i c al a n al y s i s a n d n u me r i c al c al c u l a t i o n ，a s c h e me W as p u t f o r w a r d t o s e l e c t fi t t o l e r a n c e o f s h a f t j o u r n al a n d b e a r i n g s a d d l e b o r e a s w e l l a s a s e t o f o r i g i n al r a d i al i n t e r n al c l e a r a n c e o f b e a r i n g i n c o n j u n c t i o n w i t h t h e b e a r i n g ． Ke y wo r d s S p i n d l e mo t o r ；F i t t o l e r a n c e ；R a d i a l c l e ara n c e 机床主轴电机的轴承往往采用深沟球轴承，通常 根据轴颈尺寸、载荷性质、工作转速等因素来选择轴 承，然后进行额定动载荷、额定静载荷以及轴承寿命 的计算与校核 ，而对轴承配合公差与径向游隙的选 择缺少必要的计算与分析。实际上，轴承的配合公差 与径向游隙对机床振动、电机温升以及轴承寿命有很 大影响。如果轴颈处选择不合理的配合公差，内圈与 轴颈的过盈配合在工作时可能变成间隙配合，两者之 间产生相对滑动，即蠕变现象- z ，引起机床振动加 大、轴承发热明显 、缩短轴承寿命；轴承游隙选择得 过大，机床工作时会产生较大的振动和噪声。因此对 轴承的配合公差与径向游隙进行计算 、分析与选择很 有必要 。 文中研究的机床主轴电机采用前后两个深沟球轴 承来支承转轴，由于前轴承承受的径向载荷大于后轴 承承受的载荷，在轴承 一转子系统中，起主要支承作 用，因此本文主要讨论前轴承与轴颈的配合公差 、前 轴承与轴承座孔的配合公差以及前轴承径向游隙的选 择 。 1 轴承内圈与轴颈配合公差的计算与分析 轴承内圈与轴颈的配合是采用过盈配合 ，在设计 过盈量时要考虑工作温度、外载荷、表面粗糙度等因 素的影响，设计的过盈量大小体现在轴颈处配合代号 的选择。 1 ． 1 载荷使过盈量减小 机床主轴电机往往采用皮带轮和齿轮通过一系列 的传动机构带动机床主轴旋转 ，主轴电机主要承受径 向力。轴承受到载荷后 ，会使轴承的内圈受到径向压 缩而在圆周方向稍有扩大，导致过盈量的减小。对内 径为 d 、宽度为B的轴承施加径向载荷 F ，过盈量的 减小量 △ 为 厂了一 『 0 0 8 √ 旦 F r 1 0 一F “ h d A d 0 ． 0 0 9 5 m l n 。否则 ，内圈膨胀后导致 内圈与轴颈的过盈配合转变为间隙配合，影响轴承的 正常工作 J 。但也不能过大，以免轴承内圈被涨破。 轴颈与内圈的配合示意图如图 2 所示。 X ESe i 一e i y m E 1 一 e s 一 一 e i T 其中T h ，T 分别是轴承内圈和轴颈的公差值。 轴颈 二 图2 轴承内圈与轴颈的配合公差带图 则平均过盈量Y ． v 墨眦_ 一 一 。 轴承按 P o精度制 造 ，内圈公 差 0 ． 0 1 2 m m；选择轴颈公差等级为 I T 5级 ，其公差值 T 0 ． 0 1 1 m m。由 Y ． v 一e i 一 一 0 ． 0 0 2 m m。查轴的基本偏差表 ，与计算值 一0 ． 0 0 2 m m最接近的下偏差代号为 k ，即 e i 0 ． 0 0 2 m m。即 轴颈的配合代号为 k 5 。 为了使轴承内圈与轴颈能较好配合 ，需要的过盈 量 一 e i 一 半一 0 ． 0 1 3 5 m m 。 2 轴承外圈与轴承座孔配合公差的计算与分析 轴承座采用铸铁材料 ，铸铁的线膨胀系数小于钢 的，而且散热条件较好。在机床加工过程中，轴承座 孔的温升较小，为简化计算 ，不考虑轴承座孔的膨胀 量。在外载荷和温度的作用下，轴承外圈也会膨胀。 如果轴承座孔限制外圈的膨胀 ，会使滚子与轴承内外 圈产生很大的内应力 ，从而影响轴承的使用寿命。因 此轴承外圈与轴承座孔应该采用间隙配合。 2 ． 1 载荷使外圈膨胀 对外径为 D 、宽度为 的轴承施加径向载荷 F ， ， 轴承外圈会产生弹性扩张，轴承外圈的膨胀量 A D 为 △。 』。 。 8 √ 詈 ， r 。 一 F r 0 ． 7 C 式中C 。 为轴承的径 向基本额定静载荷。 6 3 0 8轴 承的外径 D9 0 m m，径 向载荷 F 。 2 4 2 6 N ， 由 式 A D r 0 0 8 √ 蚩 F 1 0 ～ ， 可 计 算 出 外 载 荷 作 用 下 ，轴 承 外 圈 的 膨 胀 量 A D 0 ． 0 0 7 8 ml t l 。 2 ． 2 温差使外圈膨胀 随着轴承温度的升高，轴承外圈会逐渐膨胀 ，轴 承外圈的膨胀量 A D 为 ADT △ D 式中 是轴承钢 的线膨 胀系数， 1 2 ． 5 X 1 0 2 0 机床与液压 第 4 l 卷 1 ／ ℃ ；D是轴承的外径 ；△ T w 是轴承外圈与轴承座 孔处 的温差 ，取 △ 1 0℃ 。 经计算，温差使得 轴承 外圈 的膨 胀量 A D △ D 0 ． 01 1 3 mm。 综合以上讨论的使外圈膨胀的 2 个因素 ，设计轴 承座孔的配合公差时，所需 的间隙量 A X必须满足 A XeA D A D 0 ． 0 1 9 1 m m。否则 ，外圈膨胀后导 致外圈与轴承座孔的间隙配合转变为过盈配合，导致 轴承外圈承受较大的内应力 ，加速外圈的损坏。但也 不能过大，以免轴承振动较大、影响电机转子的旋转 精度 。 轴承外圈与轴承座孔的配合示意图如图3所示。 轴 承座 孔 图 3 轴承外圈与轴承座孔的配合公差带图 X E S e i E 1 一一 ， E 1 一e s E I 其中， 与 分别是轴承外圈和轴承座孔的公差值。 则平均间隙量 圣 。 轴承按 P 0精度制造 ，外圈公差 0 ． 0 1 5 m m； 选择轴承座孔公差等级 为 I T 6级 ，其公差值 T 0 ． 0 2 2 m m。由 y 目 E 1 } 0 ． 0 1 9 1 m m有 E 1 一 0 ． 0 0 0 6 n l n l 。查孔的基本偏 差表 ，与计算值 一 0 ． 0 0 0 6 m m最接近的下偏差代号为 H，即 E 1 0 ， 轴承座孔的配合代号为 H 6 。 3 滚动轴承径向游隙的计算与分析 滚动轴承工作中的径向游隙对轴承寿命 、机床振 动 、噪声、温升等影响很大。分析轴承的工作游隙时 通常要考虑原始游隙和过盈配合量、内外圈温差以及 负载大小等 因素 引起 的游隙变化。对文 中研究 的 6 3 0 8 轴承 ，承受 的径向载荷 F 2 4 2 6 N属 中等载 荷 ，额定工作转速 n1 5 0 0 r ／ m i n不高，引起的离心 力较小 ，其引起的游隙变化较小。因此以下主要分析 过盈配合量和轴承内外圈的温差对轴承径向游隙变化 的影 响。 3 ． 1 过盈 配合 引起 的游 隙 变化 轴承内圈与轴颈过盈配合时，轴承内圈膨胀而使 径向游隙减小心 ] ，对文中研究的实一 1、5 转子来说 ，轴承 内圈的膨胀量△ y 为△ l ， l， 。 Ⅱ E 上式中 y是轴承内圈与轴颈配合的有效过盈量 ， d是轴承内圈的直径，d 是内圈的当量沟底直径。由 第 1 节的讨论得知 ，轴承内圈与轴颈处必须的过盈量 为 0 ． 0 1 3 5 m m，则 有效 过盈量 l ， 0 ． 01 3 5 0． 01 2 9 mm 对 6 3 0 8轴承，过盈配合使得轴承游隙减小 A Y AY0． 01 2 9 0． 0 0 9 6 mm 3 ． 2 轴承内外圈温差引起 的游隙变化 工作中的轴承由于滚动摩擦和滑动摩擦会产生热 量而导致温度升高。由于轴承外圈的散热面积大于内 圈的散热面积，使得外圈温度低于内圈的温度。温差 使得内圈的膨胀量大于外圈而导致轴承径 向游隙减 小。在稳定的情况下 ，轴承内外圈因温差造成的轴承 径向游隙减小量 A T为 A T a A t d D／ 2 式中O t 是轴承的线膨胀系数；d是轴承内圈的直 径；D是轴承外 圈的直径；A t 是 内外 圈的温度差， 一 般取 5～ 1 0℃ 。 设轴承的内外圈温差 A t 1 0℃，因温差造成的 轴承径向游隙减小量 A Ta A t dD ／ 21 2 ． 5 X 1 0 一 1 0 4 0 9 0 ／ 2 0 ． 0 0 8 1 mm 对深沟球轴承而言，工作时的径向游隙应接近于 0 ，这时机床 主轴 电机 具有 较高 的刚度 和 回转精 度 ’ 。因此考虑了过盈配合量和轴承内外圈的温差 对轴承游隙变化的影响后，文中研究的 6 3 0 8轴承需 要的原始游隙6 。 为6 。 A Y △ 0 ． 0 1 7 7 m m。 查 机 械设 计 手 册，比较 标 准组 的原 始 游 隙 0 ． 0 0 6～ 0 ． 0 2 0 I n m和 c 3组的原始游隙 0 ． 0 1 3～ 0 ． 0 2 8 m m ，6 3 0 8轴承需要的原始游隙 很接近标 准游隙的上限值 ，而且考虑到机床主轴电机的 3 倍过 载能力 、润 滑油 的厚度和压力 、轴承 内圈受到的离 心力 等因素，选择 c 3组的原始游隙才能使轴承可 靠运行。 4小 结 在选择与轴承配合的轴颈公差和轴承座孔公差 时，需要考虑配合性质、载荷大小、温差大小、表面 粗糙度的影响；结合所研究的机床主轴电机的工作条 件，选取与轴承 内圈配合的轴颈公差是 k 5 ，与轴承 外圈配合的轴承座孔公差是 H 6 。在对轴承径向游隙 变化的影响因素研究中，作者从数值计算的角度主要 分析了过盈配合量和轴承内外圈的温差对轴承径向游 隙变化的影响 ，选择 c 3组的原始游隙才能使 6 3 0 8轴 承可靠运行。 下转第 3 2页 3 2 机床与液压 第 4 1 卷 由于零件的批量为 3 0 0 0个，小于钻套的平均寿 命 1 0 0 0 0～ 1 5 0 0 0次，且表面粗糙度与尺寸精度要求 均较低，所以采用固定钻套即可满足加工要求。如果 孔的表面粗糙度与尺寸精度要求较高，则可以采用如 图7所示的快换钻套形式。 u I ／ ／ ／ ／ ／ L 图7 快换钻套 设计夹具体时，常见的结构有两种铸件、机械 联接件 ，如 图 8所示 。 A - A a 夹具体底座 a 铸件 b 机械联接件 图8 常见夹具体结构形式 考虑到夹具单件生产的特点，选用机械联接件结 构形式，具体的设计如图9所示。 口 6 0 1 2 一 l _ 。 ．。 一 ， 图 ． I 垃 } 厂 囫 T I l ．． I 。 一 I ． ，／ ／ 『 ⋯ l r 一 1 l l L 2 1 f ， 5 0 ∞ l 28 0 3 ． 0 ． 9 5 图9 机械联接件夹具体结构图 4 结束语 通过分析端盖零件的工艺 ，设计了一套专用的带 分度装置的钻床夹具。生产的夹具经试用既能满足产 品的设计要求，又能保证产品的生产效率 ，降低了加 工成本 。 参考文献 【 1 】刘守勇． 机械制造工艺与机床夹具[ M ] ． 北京 机械工业 b 夹具体主体 出版社 。 2 0 1 0 ． 【 2 】张进生． 机械制造工艺与夹具设计手册[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ， 1 9 9 5 ． 【 3 】 南文虎． 一种自动定心夹具的设计[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 8 3 23 3 ． 【 4 】 沈则亮． 真空吸附铣削夹具的设计及其应用[ J ] ． 机床 与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 1 6 4 3 4 4， 6 8 ． 上接 第2 O页 参考文献 【 1 】 成大先． 机械设计手册． 轴承单行本[ M] ． 北京 化学工 业出版社， 2 0 0 4 ． 【 2 】冈本纯三． 球轴承的设计计算[ M] ． 黄志强， 译． 北京 机 械工业出版社， 2 0 0 3 ． 【 3 】 万长森． 滚动轴承的分析方法[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 1 9 8 5 ． 【 4 】 N S K ． 滚动轴承综合样本． 日 本精工株式会社， 1 9 9 7 ． 【 5 】 李正峰． 冲击式破碎机转子轴承公差配合及游隙的合理 选择[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 9 1 21 4 ． 【 6 】哈里斯， K O T Z A L A M N ， 罗继伟， 等． 滚动轴承分析 [ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 0 ． 【 7 】 王正君， 徐一春， 张善青． 机床主轴滚动轴承游隙组的选 择计算[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 2 3 6 8 6 9 ． 【 8 】陈素惠． 中型电机滚动轴承游隙组别的选择 [ J ] ． 大电 机技术 ， 2 0 0 4 1 5 8 6 2 ． 【 9 】 刘晓初． 滚动轴承径向工作游隙的控制[ J ] ． 轴承， 1 9 9 6 7 25 ．