高速主轴预紧力研究进展文献综述

引言

在现代机械加工领域，高速加工技术凭借其高效、高精度的优势，成为推动制造业升级的关键技术之一。高速主轴作为高速加工设备的核心部件，其性能直接影响加工质量和效率。预紧力作为高速主轴轴承的核心技术参数，对主轴的刚度、精度、稳定性以及使用寿命起着决定性作用。合理的预紧力能够有效提高轴承的支承刚度和回转精度，减少振动和噪声，而不当的预紧力则会导致轴承发热加剧、寿命缩短，甚至影响加工精度。随着现代加工对高速、高精度、高可靠性的要求不断提高，传统的预紧方式已难以满足复杂工况下的性能需求，因此，对高速主轴预紧力的研究具有重要的理论意义和工程应用价值。

本文主要关注高速主轴预紧力的确定方法、预紧机构的设计与优化以及预紧力的动态控制等关键问题。通过对相关文献的梳理和分析，总结现有研究的成果与不足，为进一步开展高速主轴预紧力的研究提供参考。

文献资料主要来源于中国知网（CNKI）等数据库，检索关键词包括 "高速主轴预紧力"" 轴承预紧机构 ""预紧力可控技术"" 电主轴预紧力 " 等。通过高级检索和滚雪球法，共获得相关文献 15 篇，其中期刊论文 10 篇、学位论文 4 篇、成果 2 项。这些文献涵盖了预紧力理论分析、预紧机构设计、动态控制技术等多个方面，为研究提供了丰富的理论和实践依据。

一、传统预紧方式的研究

早期对于高速主轴预紧力的研究主要集中在传统预紧方式的理论分析和预紧力的确定方法上。邓四二（1999）在《精密高速磨床主轴支承轴承最佳预紧力计算》中，基于旋转轴振动理论和高速球轴承刚度理论，提出了一种新的计算精密高速磨床主轴轴承最佳预紧力的算法。该研究考虑了轴承的动态特性和加工精度要求，通过建立力学模型，分析了预紧力与轴承刚度、振动特性之间的关系，为精密高速磨床主轴轴承的预紧力设计提供了理论依据。然而，该研究主要针对特定类型的磨床主轴，通用性有待进一步验证。

谢黎明等（2011）在《高速电主轴轴承的预紧》中，从轴承预紧方式的选择和预紧力大小的确定两个方面进行了分析研究。指出常用的预紧方式包括定压预紧和定位预紧，各有其适用场合和优缺点。在预紧力确定方面，需要综合考虑主轴的转速、载荷、轴承类型等因素，并介绍了基于轴承寿命和刚度要求的预紧力计算方法。该研究为高速电主轴轴承预紧提供了一般性的指导原则，但对于复杂工况下预紧力的动态调整问题未作深入探讨。

二、可控预紧技术的研究

随着高速加工技术的发展，对主轴预紧力的动态调控要求越来越高，可控预紧技术成为研究热点。纪宗辉等（2009）在《兼顾低速重载和高速轻载电主轴的可控预紧方法研究》中，针对传统定压预紧方式在低速时预紧力偏小、高速时预紧力偏大的弊端，提出了一种电主轴预紧力可控的预紧方式。通过对比研究电主轴在传统预紧方式和可控预紧方式下的动力学性能，发现可控预紧电主轴能同时满足低速重切削和高速轻切削的加工要求。该研究采用液压或电气控制手段实现预紧力的动态调节，为提高电主轴的加工适应性提供了新的思路，但控制系统的复杂性和可靠性需要进一步优化。

三、新型预紧机构的设计与研究

为了满足高速主轴对预紧力精确控制和动态调节的需求，新型预紧机构的设计成为重要研究方向。齐向阳等（2017）在《基于压电陶瓷与柔性机构的高速机床主轴预紧控制机构设计》中，针对传统预紧方式在高速下无法满足主轴温度和稳定性要求的问题，设计了一种以叠层压电陶瓷为驱动源、柔性机构为驱动机构的新型预紧机构。以 7012C 轴承为研究对象，分析了不同转速下的最佳预紧力与轴向位移，通过仿真计算证明该预紧机构的输出力和输出位移均可满足要求。该机构具有响应速度快、控制精度高的优点，为高速机床主轴预紧力的主动控制提供了新的解决方案，但压电陶瓷的寿命和可靠性以及柔性机构的设计优化仍需进一步研究。

徐吉存（2018）在《高速主轴轴承预紧可控技术探讨》中，论述了轴承预紧可控技术的必要性，介绍了目前的研究现状，分析了该技术研究的难点。指出预紧可控技术能够在不同主轴转速下实现最佳预紧力，提高主轴性能和加工品质，是机床高速化发展的关键技术，但面临着传感器精度、控制算法、机构设计等方面的挑战。

四、总结

（一）现有研究的主要特点与趋势

现有关于高速主轴预紧力的研究呈现出以下特点和趋势：在研究内容上，从早期单一的预紧力理论分析和传统预紧方式研究，逐渐发展到可控预紧技术、新型预紧机构设计以及多学科交叉融合的综合研究；在研究方法上，理论分析、数值仿真与实验测试相结合，有限元分析、拟动力学分析等方法得到广泛应用；在技术发展上，朝着智能化、高精度化、动态化的方向发展，注重预紧力的在线测量和实时控制，以满足复杂工况下高速主轴的性能需求。

（二）现有研究的不足与空白点

尽管现有研究取得了一定的成果，但仍存在一些不足和空白点。首先，理论模型与实际工况的结合不够紧密，许多研究忽略了高速旋转时轴承的离心力、陀螺力矩、热效应以及润滑状态等因素的综合影响，导致模型的预测精度有待提高。其次，新型预紧机构的研究虽然取得了一定进展，但部分机构存在结构复杂、成本高、可靠性不足等问题，需要进一步优化设计。此外，对于预紧力与主轴刚度、精度、寿命等性能指标之间的耦合关系研究不够深入，缺乏系统的多目标优化方法。在动态控制方面，控制算法的鲁棒性和实时性有待提高，传感器的精度和可靠性也需要进一步提升。

（三）对本研究的启示及未来研究方向

基于现有研究的不足，本研究可以从以下几个方面展开新的探讨和拓展。首先，建立更精确的高速主轴轴承预紧力理论模型，综合考虑离心力、陀螺力矩、热效应、润滑状态等多因素的影响，提高模型的预测精度和适用性。其次，针对新型预紧机构，开展结构优化设计和可靠性研究，降低成本，提高机构的响应速度和控制精度。再者，深入研究预紧力与主轴性能指标之间的耦合关系，建立多目标优化模型，提出综合考虑刚度、精度、寿命等因素的预紧力优化策略。在动态控制方面，开发鲁棒性强、实时性好的控制算法，结合先进的传感器技术，实现预紧力的精准动态调控。此外，加强预紧力研究与材料科学、测控技术、人工智能等学科的交叉融合，探索基于智能材料（如压电陶瓷、形状记忆合金）的新型预紧技术和智能控制方法，为高速主轴预紧力的研究开辟新的路径。

参考文献：

[1] 徐吉存。高速主轴轴承预紧可控技术探讨 [J]. 世界制造技术与装备市场，2018,(06):65-67.

[2] 齐向阳，王鹤宇。基于压电陶瓷与柔性机构的高速机床主轴预紧控制机构设计 [J]. 邵阳学院学报 ( 自然科学版 ),2017,14 (01):100-107.

[3] 谢黎明，张海杰，邵宽平。高速电主轴轴承的预紧 [J]. 机械制造，2011,49 (02):61-62.

[4] 纪宗辉，吕浪，李芳芳，等。兼顾低速重载和高速轻载电主轴的可控预紧方法研究 [J]. 制造技术与机床，2009,(12):132-136.

[5] 邓四二。精密高速磨床主轴支承轴承最佳预紧力计算 [J]. 磨床与磨削，1999,(01):54-56.

基金项目：2023 年市级大学生创新创业训练计划项目：“智能主轴设计与开发”项目编号：202310066104