机床主轴电机轴承配合公差与径向游隙的计算与分析

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Analysis and Calculation on Radial Clearance and Fit Tolerance of Motor Bearingsin M achine Tool SpindleSHU Pengcheng. rANG Xianquan(GSK CNC Equipment Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510165，China)Abstract：The vibration noise from machine tools.temperature rise in electric motors and service life of bearing are enormouslyimpacted by the fit tolerance and radial internal clearance of bearings.Therefore，there is important signifcance to make analysis andcalculation of them.The influencing factors on fit tolerance and working radial internal clearance of bearings were discussed. Mean-while，based on theoretical analysis and numerical calculation，a scheme Was put forward to select fit tolerance of shaft journal andbearing saddle bore as well as a set of original radial internal clearance of bearing in conjunction with the bearing。

Keywords：Spindle motor；Fit tolerance；Radial clearance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-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-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，导致过盈量的减校对内径为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- 0·08√旦Fr×10-F <0·7C。 AdF F ， 10.02百r×10～ F ≥o.7C。

研究的机床主轴电机的前轴承代号采用 6308，电机输出功率 W7.5 kW，额定转速 n：1 500r/min，皮带轮半径 r50 mm，机床电机转子的受力分析如图1所示。其中L 72.8 mm，L：：159 mm，L 166.5 mm，转子重力 W173.6 N，F为皮带对转轴的作用力，F 和 是前后轴承对转子的作用力。计算推导过程如下。

收稿 日期：2011-l2～01作者简介：舒鹏程 (1984-)，男，硕士研究生，从事高速机床主轴电机的机械设计工作。E-mail：spc200419###163.com。

第2期 舒鹏程 等：机床主轴电机轴承配合公差与径向游隙的计算与分析 ·19·F F ，F Mr， - 550 Pn 。

式中： 为皮带系数 ，根据实际条件取厂b2，则可计算出F1 910 N，F 2 426 N，查轴承手册得 C 24 kN，则在外载荷的作用下，轴承内圈与轴颈过盈量的减小hd ：0·08√詈 ×10～：0·05 2姗图1 机床主轴电机转子的受力分析示意图1.2 温差使过盈量减小轴承内部的滚动摩擦和滑动摩擦会产生大量热。

电机工作时自身也会产生大量热。这些热量将通过轴承基座向外传导，同时也会通过转轴向外传导。-般情况下，于是轴承内圈的温升要比轴颈处要高，其膨胀量比轴颈的要大，使得过盈量减小Ad ：AdT (0.10～0.15)aATd式中：Ot是轴承钢的线膨胀系数，Ol12.5×10(1/℃)；d是轴承的内径；△ 是轴承内部与轴承座周围的温差 (℃)〖虑机床主轴电机的相关温升测试，轴承内部与轴承座周围的温升取 △ 50℃。

经计 算 可得，温 差 使 过 盈 量 减 小 Ad 0.15 △ 0.003 8 mm。

1.3 表面粗糙度使过盈量减小在不存在表面粗糙度时，目标过盈量 Ad就是有效的过盈量。在轴承装配过程中，过盈配合会使得表面形貌被 压扁、压平，使得有效过盈量 hd硪减小 - 。

综合以上讨论的使过盈量减小的3个因素，设计过 -，'盈配合时，所需的过盈量 △y必须满足：△y> ·(hd Ad ) 0.009 5 mln。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。

X ES-ei -eiym E1-es- - (eiT)其中：Th，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 ：- -。

轴承按 Po精度制造 ，内圈公差 0.012mm；选择轴颈公差等级为 IT5级，其公差值 T0.011 mm。由 Y.v：-ei- <-0.009 5有 ei>- 0.002 mm。查轴的基本偏差表，与计算值 -0.002mm最接近的下偏差代号为 k，即ei0.002 mm。即轴颈的配合代号为k5。

为了使轴承内圈与轴颈能较好配合，需要的过盈量 -ei-半 -0.013 5 mm。

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 AD为△。 ：。·。8√詈，r× 。- Fr<。·7cⅡr10.02 ×10～ F I>0.7C式中：C。 为轴承的径向基本额定静载荷。

2 426 N，由式ADr0·08√蚩F ×10～，可计算出外载 荷 作 用 下，轴 承 外 圈 的 膨 胀 量 AD 0.007 8 mltl。

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AD 为：ADT △ D式中： 是轴承钢的线膨胀系数， 12.5 X 10· 20· 机床与液压 第4l卷(1/℃)；D是轴承的外径；△Tw是轴承外圈与轴承座孔处的温差 ，取 △ 10℃。

经计算，温差使得轴承外圈的膨胀量 AD ：△ D 0.011 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 AX必须满足：AXe>AD AD 0.019 1 mm。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。

轴承座孔图3 轴承外圈与轴承座孔的配合公差带图X ES-eiE1 -(- )， E1-esEI其中， 与 分别是轴承外圈和轴承座孔的公差值。

轴承按 P0精度制造，外圈公差 0.015 mm；选择轴承座孔公差等级为 IT6级，其公差值 T 0.022 mm。由y目 E1 >0.019 1 mm有E1>-0.000 6 nlnl。查孔的基本偏差表，与计算值- 0.000 6 mm最接近的下偏差代号为H，即E10，轴承座孔的配合代号为H6。

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6308轴承，承受的径向载荷 F 2 426 N属中等载荷，额定工作转速n1 500 r/min不高，引起的离心力较小，其引起的游隙变化较校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-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0.013 5 mm，则有效过盈量 ：l，0.013 5× 0.012 9 mm对6308轴承，过盈配合使得轴承游隙减小 AY：AY：0.012 9× 0.009 6 mm3.2 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校在稳定的情况下，轴承内外圈因温差造成的轴承径向游隙减小量 AT为 ：ATaAt(dD)/2式中：Ot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；At是内外圈的温度差，- 般取 5～10℃。

设轴承的内外圈温差 At10℃，因温差造成的轴承径向游隙减小量ATaAt(dD)/212.5 X 10- ×10×(4090)/20.008 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6308轴承需要的原始游隙6。为：6。AY△ 0.017 7 mm。

查机械设计手册，比较标准组 的原始游 隙(0.006～0.020 Inm)和 c3组的原始游隙 (0.013～0.028 mm)，6308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 c3组的原始游隙才能使轴承可靠运行。

4 嗅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、载荷大孝温差大孝表面粗糙度的影响；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 k5，与轴承外圈配合的轴承座孔公差是H6。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c3组的原始游隙才能使6308轴承可靠运行。

(下转第32页)· 32· 机床与液压 第41卷由于零件的批量为3 000个，小于钻套的平均寿命 10 000～15 000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 )012- l 。.。 -，图 . I 垃 厂囫T I l .I 。 -I。

，// l r- 1 l l L2 1 -- f， 50± ∞l'280 3.0. 95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-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。