滚珠丝杠用60°角接触球轴承支撑结构分析.pdf

试验研究andNo.7,2023DevelopmentManagementMechanical2023年第7 期Total 243总第2 43期机械管理开发D0I:10.16525/14-1134/th.2023.07.003滚珠丝杠用6 0 角接触球轴承支撑结构分析宗华（阜新天源钢球制造有限公司，辽宁阜新123002)摘要：在机械领域，滚珠丝杆副是一种高精度的驱动部件，它需要适应高精度、高刚性的数控加工设备，必须选择60的角接触球轴承，凭借6 0 角接触球轴承具有的摩擦力矩小、轴向刚度高以及运转精度高等优点，来支撑滚珠丝杆的固定端。通过对各种组配形式的分析，得出了在轴向和径向荷载的叠加下所产生的外力的影响，此外还运用相关公式计算了角接触球轴承的使用寿命以及设备的选型。关键词：滚珠丝杠；角接触球轴承；支撑结构；轴向荷载；径向荷载；寿命中图分类号：TH133.331文献标识码：A文章编号：1 0 0 3-7 7 3X(2023)07-0008-02引言滚珠丝杠是一种对精度有着较高要求的驱动部件，当它在运行时，刚度的高低对驱动精度有着较大影响。为了与数控机床高刚度、高精度的生产模式相互契合，必须选用刚度高、精度大的球螺杆副，并选用刚度高、精度大、摩擦力矩小的轴承。滚珠丝杠所承受的载荷主要是轴向载荷，而径向负荷则是螺杆自身质量，因此，必须采用高刚度、高精度的6 0 大推力角接触球轴承来用于滚珠丝杠固定端的支撑，该类型轴承具有高刚度、低扭矩、高精度和高轴向负荷能力等优点，特别适用于滚珠丝杠的紧固端部支撑。所以，对其支撑结构进行分析有一定的意义。160角接触球轴承工作原理如图1 所示，为6 0 角接触球轴承的接触角示意图，其接触角的大小与滚珠的数量以及滚珠所受到的载荷F有关，具体的关系是：接触角的正弦值与滚珠数目及滚珠载荷之间的乘积就等于轴承所受的轴向载荷 1 。在相同的载荷下,珠子的数量和接触角都会增大，因此轴向负荷会随之变大；在相同的轴向负荷下，随着接触角的增大，单珠子所受的负荷将会降低，这同时也就降低了轴承的弹性变形量，相应的增加了轴承的整体刚度，使其使用寿命有所增长。常规的角接触球轴承,其接触角一般是1 5 40 接触部FF接触部图1角接触球轴承的接触角示意图主要起到承担径向载荷的功能，而6 0 角接触球轴承，其轴流式强度一般是常规角球轴承的2 倍。相比于普通的角接触轴承，6 0 角接触球轴承的滚珠数量有所增加，如果滚珠数量超过了深沟滚子轴承，增加了负荷力，但由于滚珠直径也随之减小，同时轴承类型的起动转矩也减小，其摩擦力矩比圆锥滚子轴承小，因此即使凭借着较小的传动功率，也能够达到很大的旋转精度，并能在高转速下依然可以保持稳定 2 。6 0 角接触球轴承结构不可分离，采用TN玻璃纤维增强的尼龙6 6 保持架，质量轻的同时又可以保持较好的工艺性，自带润滑效果好，产品规格有7602和7 6 0 3系列，如7 6 0 2 0 1 TN1760226TN1、760304TN1760326TN1等。2角接触球轴承组配方式分析由于单独的角接触球轴承通常只接受一个方向的轴流式载荷，因此，它需要与另一个角接触球轴承结合，这是一个可以接受两个方向的轴向和径向载荷的组合。其中，角接触球轴承主要有三种组合：背对背组合、面对面组合以及串联（同方向）式组合，如图2所示。1)背对背组合(DB)：这个复合结构的承载方式是向外侧扩展的，有效支点的宽度会得到进一步的扩大，不但可以实现对轴向载荷的承载，径向载荷也不例外，抗倾特性优异。2)面对面组合（DF)：该组合结构的力作用线向内收敛，轴承之间的有效支点间距变小。它可以承受两个不同方向的轴向和径向载荷，但其抗倾斜能力较差，并会降低轴承的极限转速。它通常适用于需要精确对中的场合。3)串列式组合(DT)：该组合力线是平行的，只能承受一个方向的轴向和径向载荷。如果有相反的轴向载荷，就必须由另一组相对的固定端支撑来完成。考虑到其安装方位的固定，因而角接触球轴承的方向也收稿日期：2 0 2 2-0 9-0 1作者简介：宗华（1 9 8 2 一），男，辽宁阜新人，硕士研究生，毕业于澳大利亚悉尼大学，工程师，研究方向为机械制造9宗华：滚珠丝杠用6 0 角接触球轴承支撑结构分析2023年第7 期是不变的，在组装过程中，为防止组装时发生倒置，其外环上压印有“V”型标志，经配合后若形成“V字型，则表示其布置是正确的。2-1背对背2-2面对面2-3串联图2角接触球轴承组配方式3滚珠丝杆传动机构固定端支撑滚珠丝杆传动机构的固定端也叫作静止端，一般使用BK系列（正方形），其型号可划分为BK10BK40，如图3所示，为典型的固定端支撑单元结构。轴承是以6 0 角接触球轴承为基础,其固定端由一组装配方式构成，轴承经过预压缩，可确保轴向零间隙和高刚度，并能在轴向和径向上分别承担约束和负载，外环和内环的轴向间隙可调节，外环、内环通过轴承盖和锁紧螺栓进行压力调节，以调节预紧力，改善轴承刚度。通常情况下，滚珠丝杠的驱动机构是以其固定端为传动轴，并以此为参考，通过此传动端计算出其大小和误差。在固定端的轴承中预先加载油脂，使其外径和孔公差分别为H5和H6。6581一锁紧螺母；2 一保护垫片；3一锁紧螺钉；4一轴承外端盖；5一轴承座;6 一密封圈;7 一调整环;8 一角接触球轴承图3固定端支撑结构固定端锁定螺帽用于轴向固定轴承和丝杆，以增加轴承刚度，同时特别设计了紧固螺丝和防护垫圈（铜板），该紧固螺丝由防护垫圈紧紧地压在球形丝杆上，使其不会出现任何松动。采用铬钢制成的锁紧螺帽，经过调质、热处理，其硬度（HRC)为38 42，锁定螺帽的端面与支座的端面紧密配合，经过研磨后，使其平面度和垂直度的精度都能达到0.0 1 mm。除6 0 角接触球轴承外，固定端支架还可选择圆锥滚子轴承、双向推力角接触球、圆锥滚子轴承和深沟球轴承、推力球轴承和深槽球轴承、止推滚子轴承和滚针轴承等轴承组合，但要数6 0 角接触球轴承的支撑效果最好。4滚珠丝杠用6 0 角接触球轴承选型与寿命计算4.1轴承选型从有关滚珠丝杠的设计计算可知，南京工艺设备制造有限公司生产的滚珠丝杠是目前市面上使用最多的滚珠丝杠，它的特殊性能包括浮式内循环、预紧双螺帽衬套、直筒球螺杆。滚珠丝杠具有40 mm的内径，滚珠丝杠的轴系系统配有两个固定支撑机构。滚珠丝杠6 0 角接触球轴承使用6 0 角触点球形推力球轴承一对。由于滚珠丝杆的直径小于34.9 mm，所以选择了30 mm的内径。最后,，根据查阅6 0 接触球的有关数据，确定了其最终型号为7 6 0 2 0 30 角接触球轴承。4.2轴承寿命计算在对轴承寿命进行计算时，6 0 推力角接触球与普通轴承的使用寿命计算过程基本一致，首先应该确定接触球轴承的当量动载荷P-f(XF+YF.)3,其中fp为载荷系数，轴承的轴向载荷F为2 2 7 4N，径向载荷F为1 0 0 0 N，其中X和Y为等效动载荷系数，根据F/F的比值进行对比，具体的情况如表1 所示。表1当量动负荷因数组合2 列组合3列组合4列FJF.1列 2列1列2列3列1列2列3列4列DB/DFDTDFDFDTDFDFDF DTF/FX1.91.432.351.172.332.532.17Y0.940.770.350.890.350.28F/FX0.920.920.920.920.920.920.920.92 0.922.17Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0从上文可知，F/F=2274/1000=2.274，由于FJF2.17，两个6 0 角接触推力球轴承用于背对背(DB)匹配，X=0.92,Y=1可通过参考表2 获得，最终取f=1.1,所以当量动载荷P=1.1（0.9 2 1 0 0 0 N+1 2274N)=3832.8N。通过动载荷CP60n/Ll)106能够得出(其中n为转速,取6 0 r/min;L为寿命,取2400;e取3;f为系数，取1)，在实际情况下，轴承的动载荷C为1 6 9 44.1 9 N。得到了轴承的动载荷后，出于严谨性还应继续对所计算出的轴承动载荷进行校核，参考6 0 角接触球轴承的相关说明，可以看出7602030角接触球轴承的额定动载荷C.为2 6 0 0 0 N，相应的静态负载Co=56000N，因为其额定动态负载C=26000N，比计算的实际动态负载C=16944.19N。因此，可以认为使用7 6 0 2 0 30 型角接触球轴承具有足够的承载能力。依据以往的滚珠丝杠设计和计算过程，得出角接触轴承所能承载的极限轴向载荷FB.max可达7 0 2 4N，而角接触轴承所承受的实际预载不（下转第1 4页）NS(编辑：王慧芳）上接第9 页）lesel14第3 8 卷机械管理开发表4测量数据（以下数据为基准值偏差）单位：mm序号零件编号测量状态方向孔径A方向孔径B序号零件编号测量状态方向孔径A方向孔径B一944装连杆瓦0.10.09711992装连杆瓦0.0860.0922868装连杆瓦0.0960.10512965装连杆瓦0.0850.0973910装连杆瓦0.0910.09213838装连杆瓦0.0850.0804900装连杆瓦0.10.10814981装连杆瓦0.0960.1005840装连杆瓦0.0900.10715973装连杆瓦0.0950.0956866装连杆瓦0.0970.10016990装连杆瓦0.0960.1057926装连杆瓦0.0890.10017600装连杆瓦0.0960.1008980装连杆瓦0.1000.036181076装连杆瓦0.0950.10591041装连杆瓦0.0880.10019895装连杆瓦0.0800.09410978装连杆瓦0.0950.10020753装连杆瓦0.0830.0971)合理安排加工工序及参数，减少最终工序（精孔)的加工余量，从而减少加工过程的应力产生；2)合理安排拆组连杆的时机，在最终工序（精镗孔)进行前，增加应力释放的机会，使应力提前释放，避免在后期释放影响零件的合格率；3)对于“精镗孔”后对大端孔形状有影响的加工工序，在可行的情况下尽量前移，以进一步排除后期加工对孔径的影响。（编辑：王婧）Machining and Control of Ovalness of Large End Bores in High Speed High Power DEngine Connecting RodsWu Xin,Li Xiaoxia,Li Erhong,Li Zheng,Tian Tian,Liu Lei(Shanxi Diesel Engine Industry Co.,Ltd.,Datong Shanxi 037036,China)Abstract:Through the analysis of its mechanical processing and inspection process,a targeted improvement plan was developed forverification,the causes of the problem were identified,and various factors affecting the ovalness of the big end hole of the connecting rodwere sorted out in the process of analysis and verification,and suggestions were made to improve the problem.Key words:high speed and high power diesel engine;connecting rod big end bore;ovalness;control低于其极限轴向负载的1/3，即2 341.4N，根据有关说明书，7 6 0 2 0 30 角接触球轴承的预加力为2 9 0 0 N，所以，角接触球轴承的预加力要比实际的预加力大，采用7 6 0 2 0 30 型6 0 角接触轴承来作为滚珠丝杠的支撑结构就显得十分合理。经过预压处理后，轴承的轴向间隙基本消失，具备较高的刚度和承载能力。5纪结语为了适应高精度、高刚度的数控机床进给系统，必须使用具有高轴向刚度、低摩擦扭矩和高速的轴承。针对上述问题，本文主要对滚珠丝杠用6 0 角接触轴承的支撑结构进行了分析研究。首先对该类型轴承的工作原理进行了简要阐述，分析了其具体的组配方式。然后对滚珠丝杠传动机构固定端展开了介绍，并最终进行了角接触轴承的选型及寿命计算，选定轴承型号为7 6 0 2 0 30 型，其具有较高刚度和承载力，符合生产要求。参考文献1郑红.滚珠丝杠用6 0 角接触球轴承支承结构分析与寿命计算J.内燃机与配件，2 0 2 0（1）：7 1-7 3.2于晓凯，赵春江，葛世东，等.轴向受载的高速角接触球轴承有限元分析 J.机械工程与自动化，2 0 1 1（5）：51-52；55.3卢志珍.角接触球轴承的选用与寿命计算 J.煤炭技术，2 0 1 2(6)：28-29.Analysis of the Support Structure of 60 Angular Contact Ball Bearings for Ball ScrevZong Hua(Fuxin Tianyuan Steel Ball Manufacturing Co.,Ltd.,Fuxin Liaoning 123002,China)Abstract:In the field of machinery,the ball screw sub is a high-precision driving component which needs to adapt to high-precision andhigh-rigidity CNC machining equipment.60o angular contact ball bearings must be selected to support the fixed end of the ball screw byvirtue of the advantages of low frictional torque,high axial rigidity and high running accuracy that 60oangular contact ball bearings have.Through the analysis of the various grouping forms,the influence of the external forces generated by the superposition of axial and radialloads is derived,and in addition the service life of the angular contact ball bearings and the selection of the equipment is calculated usingthe relevant formulae.Key words:ball screw;angular contact ball bearing;support structure;life of axial load;rodial load