[发明专利]一种新型陶瓷球轴承优化设计方法

说明书

技术领域

本发明属于轴承设计技术领域，特别是涉及一种新型陶瓷球轴承优化设计方法。

背景技术

从二十世纪五十年代，我国就开始从事新型陶瓷的研究与开发。“七五”、“八五”期间，我国新型陶瓷的开发与应用进入了一个新阶段，取得了一些成果，但至今没有陶瓷轴承商品问世，直接影响我国数控机床产业的发展。数控机床的关键制造技术研究必须走自主创新的道路。发展中、高档数控机床及其关键性技术已列入国家“九五”、“十五”科技发展计划，尽早研制出具有我国自主权的高精度陶瓷轴承是当务之急。

研制高精度的热压氮化硅陶瓷球轴承，将为高速高精度机床主轴系统提供关键的轴承零件，并使我国在该领域的研究达到国际领先水平，加快数控机床向着高速、高效、高精度发展的步伐，对于推动我国高档数控机床的研制开发工作具有十分重要的意义。陶瓷轴承产品设计的正确与否对其性能、寿命和可靠性有着根本的影响，进而也影响到主机的工作质量和经济性。一个好的设计方案应该具有最优的技术、经济指标。为达到此目的，可以有不同的方法。但是，相比起来，较为严密、省时、经济性好的方法是数学优化法。它的特点是将设计问题提炼成一个数学模型，选用合适的优化方法解得最优解。

优化设计理论与方法用于工程设计是在60年代后期开始的，我国则从70年代中期才开始有关研究。20余年的工程优化设计理论与方法的研究和实践，使传统设计方法发生了根本性变革，从而把经验的、感性的、类比的传统设计方法转变为科学的、理性的、立足于计算分析的设计方法。优化设计是以数学规划为理论基础，以电子计算机为工具，在充分考虑多种设计约束的前提下，寻求满足预定目标的最佳设计。陶瓷轴承的优化设计能比较好的把陶瓷轴承的现代设计理论和经过长期实践验证的设计内容结合起来。这种技术在设计领域中具有巨大的应用潜力，它的推广应用，对促进我国陶瓷轴承应用更具现代化，对促进陶瓷轴承的发展起到良好的作用。

发明内容

本发明为了克服现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种用于高速高刚度的角接触球轴承中高精度、长寿命和较少的摩擦发热量的机床主轴陶瓷球轴承优化设计方法。

本发明所采用的技术解决方案是一种新型陶瓷轴承优化设计方法，具体步骤如下：

步骤1：根据主机对轴承的设计标准和实验数据，提出选型方案；步骤1中的选型方案具体在混合陶瓷球轴承套圈选取时采用多点接触的非圆弧形的沟道，该非圆弧形的沟道由两个不同半径的弧面和直线组合而成。

所述的步骤1中的选型方案具体在保持架选取时采用固定不动的外圈挡边引导保持架。

所述的步骤1中的选型方案具体在保持架选取时采用外圈引导保持架。

所述的步骤1中的选型方案具体在保持架选取时采用厚度为1-8mm的聚合物保持架。

步骤2：根据步骤1提供轴承型号外型尺寸D₀、d₀，按照数学模型进行数值计算，并对计算结果进行检验，若符合要求，则进入步骤3，否则修改主参数；

步骤2.1：以陶瓷球轴承的5个线性无关的内部结构参数D_b、Z、D_m、f_i和f_e为设计变量，用一个五维向量表示如下：

X＝[x₀x₁x₂x₃x₄]^T＝[D_bZD_mf_if_e]^T

其中：陶瓷球直径D_b、球数Z、球中心圆直径D_m、内沟曲率半径系数f_i、外沟曲率半径系数f_e；

步骤2.2：对设计变量的取值范围进行约束：

步骤2.2.1：陶瓷球直径的选取满足如下范围：

K_Dmin(D-d)≤D_b≤K_Dmax(D-d)

其中，K_Dmin和K_Dmax为球径系数的最小值和最大值，是与直径系列有关的经验常数，D为轴承外径，d为轴承内径，D_b为陶瓷瓷球直径；

步骤2.2.2：陶瓷球数Z应满足如下范围，即