2 顶尖径向跳动和支撑刚度分析

1. 顶尖径向跳动影响因素分析
   1. 轴承结构的影响
      由于回转顶尖的前支撑精度对顶尖径向圆跳动的影响程度大于后支撑精度，因此设计顶尖时应重点考虑前支撑精度。普通回转顶尖大多采用单列球轴承结构，其支撑形式可简化为两点支撑(见图2a)。前支撑的径向跳动误差d 与顶尖径向跳动y的关系为

y=(a+b)d/b(1)

(a)单列球轴承结构
(b)双列圆柱滚子轴承结构图2 轴承结构对顶尖径向跳动的影响

1. 1. 重型高精度回转顶尖的前支撑采用双列圆柱滚子轴承结构，由于滚子与滚道为双列线接触，且有足够支撑宽度，因此在跨距/轴径比小于3时，可视为三点支撑(见图2b)。前支撑的径向跳动误差d与顶尖径向跳动y的关系为

y≈d(2)

1. 1. 显然，采用双列圆柱滚子轴承结构可减小支撑点误差对顶尖径向跳动的影响。
   2. 轴承预紧力的影响
      回转顶尖前支撑的径向跳动误差为

d=d_t+d_j+d_c(3)

式中：d_t——滚动体及轴承内、外圈的弹性变形

1. 1. d_j——轴承的径向间隙
      d_c——滚动体及轴承内、外圈的径向跳动
      双列圆柱滚子轴承是通过带锥面的轴承内圈在带锥面的轴径上移动来调节轴承的径向间隙。为实现径向预紧，此类轴承的径向间隙通常取负值(即采用过盈配合)。当预紧力适当时，可使d_t、d_j两项误差为零，从而使d=d_c。因此，通过选用具有适当预紧力的高精度轴承可有效减小顶尖的径向跳动。
   2. 轴承定向装配的影响
      装配顶尖轴承时，应尽量采用定向装配法，即将轴承内圈的最大径向跳动点与轴承轴心线的最大偏差点置于同一轴向剖面内，但方向相反(见图3)，从而使顶尖的最终径向跳动最小，即

d_min=d_zj+d_nj(4)

图3 定向装配法表  顶尖使用前、后的径向跳动(mm)配合方案工序无负载静载加工后方案Ⅰ精磨≤0.005≤0.005≤0.007方案Ⅱ精磨≤0.005≤0.005≤0.005粗磨≤0.005≤0.005≤0.005

1. 1. 同理，装配轴承外圈时也可采用相同方法。
   2. 轴承外圈与孔的配合精度的影响
      双列圆柱滚子轴承的内孔为锥孔，且可直接安装在带锥度的轴上，其过盈量是由内圈在带锥面的轴上作轴向移动时产生的径向尺寸膨胀量来产生。为此将轴承外圈与孔的配合设计为过渡配合(方案Ⅰ)，但发现据此方案制造的顶尖在精加工后径向跳动变化很大(见表1)，且在旋转中有松紧不匀现象。经过分析认为，这是由于为使顶尖具有足够刚度和精度而采用了重度预紧所致。由于重度预紧使轴承内圈变形过大，因此顶尖承受大负载时极易引起轴承塑性变形及磨损，从而破坏应有精度。为此，将设计方案改为在无预紧情况下使轴承外圈与安装孔有少量过盈(方案Ⅱ)，在实际装配中采用70℃温差调节方法来实现。采用此方案制造的顶尖在进行了粗、精磨两道工序后其径向跳动无变化(见上表)。由于减小了轴承的变形及磨损，可显著提高顶尖的工作寿命。
2. 支撑刚度分析
   重型高精度回转顶尖采用的双列圆柱滚子轴承的滚子与轨道为线接触，在相同负载下，滚子对轨道的压应力小于球轴承，支撑刚度及承载能力显著提高。此外，该顶尖采用了适度预紧处理，减小了加载后的弹性变形量。
   研制的重型高精度回转顶尖的技术指标为：顶尖相对于尾锥的同轴度≤0. 005mm，顶尖锥面径向跳动≤0.003mm，最低工作转速4r/min，被加工件最大自重1000kg。

3 应用效果