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活塞桿是機(jī)械旋轉(zhuǎn)的重要組成部分，其剛度和溫度將直接影響活塞桿在機(jī)械運(yùn)行中的效率。為了提供活塞桿旋轉(zhuǎn)精度，增加活塞桿裝置的剛度，減少機(jī)床工作時(shí)軸的振動(dòng)，常采用預(yù)緊滾動(dòng)活塞桿，例如機(jī)床主軸為活塞桿。

預(yù)緊是在安裝時(shí)以某種方式產(chǎn)生并保持一個(gè)活塞桿的軸向力，以消除活塞桿的軸向游隙，在滾動(dòng)體與內(nèi)外圈接觸處產(chǎn)生變形。

由于預(yù)緊力的作用，滾動(dòng)體與內(nèi)外圈的接觸會(huì)產(chǎn)生彈性變形，這將增加接觸面積，增加參與受力的滾動(dòng)體數(shù)量。也有可能滾動(dòng)體會(huì)在180度以上的范圍內(nèi)參與受力，有時(shí)甚至所有滾動(dòng)體都會(huì)在360度范圍內(nèi)受力。這juedui比幾個(gè)滾動(dòng)體要好，也能承受更多的載荷。從上面的討論可以看出，預(yù)緊后活塞桿的接觸變形肯定比未預(yù)緊時(shí)的活塞桿小，因此可以提高活塞桿的支撐剛度，同時(shí)補(bǔ)償活塞桿在使用中的一定磨損量。

當(dāng)預(yù)張緊活塞桿承受工作載荷時(shí)，其內(nèi)外圈的徑向和軸向相對(duì)位移遠(yuǎn)小于未預(yù)張緊活塞桿的相對(duì)位移。定位預(yù)緊圓錐滾子活塞桿時(shí)，由于擋邊與滾子端面的磨合，預(yù)緊量減少，因此活塞桿磨合的溫度會(huì)相應(yīng)下降一段時(shí)間。預(yù)緊力越大，滾輪與法蘭磨合引起的溫度下降越明顯。表面粗糙度越粗，磨合產(chǎn)生的預(yù)載荷減少越多。恒壓預(yù)緊時(shí)，即使發(fā)生磨合，活塞桿間隙(預(yù)緊)和軸向載荷的實(shí)際水平也不會(huì)改變，所以活塞桿的溫度不會(huì)改變。

預(yù)緊和轉(zhuǎn)速對(duì)活塞桿剛度有什么影響？

機(jī)床主軸的活塞桿剛度是一個(gè)重要的性能指標(biāo)。剛度不僅與載荷和轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與摩擦熱和預(yù)緊方式有關(guān)。剛度計(jì)算也是主軸單元?jiǎng)討B(tài)特性分析的基礎(chǔ)。

一、預(yù)緊方式和速度的影響。

在恒壓預(yù)緊下，活塞桿徑向剛度隨著轉(zhuǎn)速的增加而略有增加，而軸向和角向剛度則迅速減小。預(yù)緊狀態(tài)下，活塞桿徑向剛度、軸向剛度和角剛度均隨轉(zhuǎn)速的增加而快速增加，但軸向剛度和角剛度增加平穩(wěn)。陶瓷球活塞桿的剛度變化規(guī)律與鋼活塞桿相似，但變化平緩。預(yù)緊時(shí)，內(nèi)圈和滾珠的離心力以及摩擦熱增加了內(nèi)圈和外圈的接觸載荷，而外圈的接觸角減小，內(nèi)圈的接觸角zengda，從而增加了接觸剛度，但外圈接觸角的減小減緩了軸向和角度剛度的增加。

恒壓預(yù)緊下，滾珠的離心力增加了外圈的接觸載荷，而接觸角減小。由于內(nèi)外圈允許軸向位移，內(nèi)圈的接觸載荷基本不變，但接觸角zengda。熱位移和離心位移對(duì)內(nèi)外圈的接觸載荷和接觸角影響不大。雖然外環(huán)的法向接觸剛度增加，但內(nèi)環(huán)的法向接觸剛度基本不變，由于串聯(lián)作用，徑向剛度略有增加，而軸向和角向剛度隨著外環(huán)接觸角的減小而顯著減小。陶瓷球活塞桿的剛度小于所有鋼在定位預(yù)緊下的剛度，而陶瓷球活塞桿的剛度大于所有鋼在恒壓預(yù)緊下的剛度。在預(yù)定位下，全鋼活塞桿的接觸載荷是陶瓷球活塞桿的兩倍以上。雖然陶瓷球的彈性模量高，但全鋼活塞桿的剛度大于陶瓷球活塞桿。但在恒壓預(yù)緊下，內(nèi)圈接觸載荷變化不大，陶瓷球的高彈性模量使陶瓷球的活塞桿剛度大于全鋼。

1、預(yù)緊力的影響。

隨著預(yù)緊力的增加，活塞桿的徑向、軸向和角向剛度略有增加，但影響較小。與定位預(yù)緊相比，這種效果對(duì)于恒壓預(yù)緊更為顯著。這是由于預(yù)載荷的增加，增加了內(nèi)外圈的接觸角，也增加了接觸載荷，從而增加了徑向、軸向和角度剛度。但預(yù)緊載荷引起的接觸載荷和接觸角的變化小于零件轉(zhuǎn)速和位移引起的變化，因此對(duì)活塞桿剛度的影響有限。這也是定位預(yù)緊力下的變化小于恒壓預(yù)緊力下變化的原因。

2.通道曲率半徑的影響。

隨著內(nèi)外圈通道曲率半徑的zengda，徑向、軸向和角向剛度減小，但這種影響很小，僅在定位預(yù)緊下剛度略有變化，這是由于通道曲率半徑zengda，增加了接觸變形。因此，一般來(lái)說(shuō)，通道曲率半徑對(duì)剛度的影響可以忽略。

3.球數(shù)的影響。

在預(yù)定位條件下，徑向、軸向和角度剛度隨著球數(shù)的增加而略有增加。滾珠數(shù)量的增加增加了剛度，但在相同的預(yù)緊載荷下，滾珠數(shù)量的增加會(huì)降低接觸載荷。雖然它們的共同作用可以增加活塞桿的剛度，但卻較少。

恒壓預(yù)緊下，徑向剛度隨著滾珠數(shù)量的增加而明顯增加，而軸向和角向剛度隨著轉(zhuǎn)速增加到一定值而減小，但變化較小。這是因?yàn)樵诤銐侯A(yù)緊下，雖然滾珠的數(shù)量減少了內(nèi)圈的接觸載荷，但內(nèi)圈的接觸角也同時(shí)減小。它們的共同作用使活塞桿徑向剛度明顯zengda，而軸向和角向剛度略有減小。

因此，當(dāng)球數(shù)增加時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加預(yù)緊力，只有當(dāng)接觸載荷相同時(shí)，才能通過(guò)增加球數(shù)來(lái)增加活塞桿剛度。

4.球直徑的影響。

預(yù)緊狀態(tài)下，滾珠直徑zengda，徑向、軸向和角向剛度略有增加。隨著球徑的zengda，球的離心力zengda，外圈接觸角減小，內(nèi)圈接觸角zengda，但同時(shí)內(nèi)圈與外圈的接觸載荷zengda。由于它們的共同作用，活塞桿剛度增加。首先，定位預(yù)緊下離心力的變化對(duì)接觸載荷影響不大，因此球徑的變化對(duì)剛度影響不大。

恒壓預(yù)緊下，徑向剛度隨著球徑的zengda而zengda，軸向和角向剛度減小，但影響較小。這是因?yàn)殡S著滾珠直徑的zengda，滾珠的離心力zengda，內(nèi)外圈的接觸角減小，外圈的接觸載荷zengda，而內(nèi)圈的接觸載荷基本不變，所以徑向剛度zengda，而軸向和角向剛度略有減小。因此，減小球徑不僅可以提高速度性能，而且不會(huì)降低剛度性能。從理論上也證明了縮徑球是目前主軸活塞桿的發(fā)展趨勢(shì)之一。

5.初始接觸角的影響。

預(yù)緊力作用下，初始接觸角的增加顯著降低了徑向剛度，增加了軸向剛度和角向剛度。這是因?yàn)殡S著初始接觸角的zengda，接觸剛度的徑向分量減小，軸向分量zengda，同時(shí)在相同的預(yù)緊力下，接觸載荷減小。

在恒壓預(yù)載荷下，徑向剛度隨著初始接觸角的zengda而顯著減小。低速時(shí)，軸向剛度和角剛度增加，但高速時(shí)，幾乎沒(méi)有變化。這是因?yàn)閮?nèi)圈和外圈在恒壓預(yù)緊下可以軸向移動(dòng)。為了保持力的平衡，外環(huán)的接觸角幾乎接近于0°，初始接觸角對(duì)外環(huán)的接觸角影響不大。同樣，在相同的預(yù)載荷下，初始接觸角zengda，接觸載荷減小。

因此，在定位預(yù)緊下增加活塞桿初始接觸角可以提高軸向和角度剛度，而在恒壓預(yù)緊下增加初始接觸角不僅可以提高軸向和角度剛度，還可以降低徑向剛度。

二、活塞桿剛度與預(yù)緊力的關(guān)系。

角接觸陶瓷球活塞桿高速電主軸單元活塞桿軸向預(yù)緊力的確定是一個(gè)重要問(wèn)題。活塞桿軸向預(yù)緊力的zengda，可以改善活塞桿高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力和陀螺力矩帶來(lái)的不利影響，降低轉(zhuǎn)滾比，提高主軸剛度。由于電主軸的剛度一般指徑向剛度，因此從活塞桿預(yù)緊力的角度對(duì)活塞桿徑向剛度進(jìn)行了研究和分析。

活塞桿剛度趨勢(shì)隨著活塞桿預(yù)緊力的增加，活塞桿徑向剛度變大，使得主軸系統(tǒng)的加工精度和工作效率顯著提高，提高了主軸的工作性能。因此，在實(shí)際工礦中，在允許范圍內(nèi)增加預(yù)緊力具有重要的實(shí)際工程意義。但隨著預(yù)緊力的增加，活塞桿的溫度升高，活塞桿產(chǎn)生的熱量也隨之增加，進(jìn)而使主軸系統(tǒng)溫度升高，嚴(yán)重影響活塞桿的工作壽命和主軸的工作性能。因此，在溫度升高的情況下，對(duì)于主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，盡可能增加預(yù)緊力是需要考慮的一個(gè)重要因素。

三、預(yù)緊和轉(zhuǎn)速對(duì)活塞桿溫度有什么影響？

主軸系統(tǒng)工作過(guò)程中，轉(zhuǎn)速越高，活塞桿產(chǎn)生的熱量越多。過(guò)熱會(huì)影響主軸系統(tǒng)的速度、剛度和精度。在穩(wěn)態(tài)下，活塞桿的摩擦熱將通過(guò)熱傳遞擴(kuò)散。因此，溫度分布是衡量主軸單元的傳熱能力、設(shè)計(jì)水平、速度和精度性能的指標(biāo)。活塞桿的摩擦熱計(jì)算和主軸活塞桿的傳熱模型是溫度計(jì)算的基礎(chǔ)。

主軸的活塞桿接觸載荷是指活塞桿球與活塞桿內(nèi)外圈之間的接觸力。計(jì)算活塞桿接觸角和接觸力是分析活塞桿發(fā)熱和變形的基礎(chǔ)。為了分析活塞桿預(yù)緊力和轉(zhuǎn)速對(duì)活塞桿動(dòng)態(tài)特性的影響，有必要研究預(yù)緊力和轉(zhuǎn)速與活塞桿接觸角和接觸載荷的關(guān)系。