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如何選擇機床主軸的軸承？

2013-5-15 來源：作者：

機床工具行業(yè)作為機械裝備工業(yè)的重要組成部分，在整個國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展過程中起著舉足輕重的作用。據(jù)統(tǒng)計，在一般的機器制造中，機床所擔(dān)負(fù)的加工工作量占總制造工作量的40%～60%左右，因而機床業(yè)發(fā)展水平通常是一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志。隨著現(xiàn)代制造業(yè)的日益發(fā)展，客戶對于工業(yè)母機-機床的要求也越來越高。目前，新材料、新工藝、新設(shè)備的不斷涌現(xiàn)，對機床的加工能力帶來了許多的挑戰(zhàn)，為了能滿足對上述結(jié)構(gòu)件的加工，現(xiàn)代機床正向著“高速、精密、復(fù)合、智能化”的方向發(fā)展。

　　隨著我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的深入，機床行業(yè)內(nèi)也顯示產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級的趨勢，即數(shù)控機床比例逐步上升，在數(shù)控領(lǐng)域，高端數(shù)控機床（如重型機床、智能機床等）所占的比例也不斷上升，重型機床產(chǎn)品主要是為國家能源（火電、水電、核電、風(fēng)力發(fā)電）、船舶制造、工程機械、冶金、航天、軍工、交通運輸（鐵路、汽車）等主要工業(yè)支柱產(chǎn)業(yè)以及國家重點工程項目服務(wù)，國家重點工程項目為重型機床提供了廣闊的市場。

　　那么，如何選擇機床中應(yīng)用于主軸軸承呢？

一、主軸軸承

　　主軸（見圖1）作為機床的關(guān)鍵部件，其性能會直接影響到機床的旋轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速、剛性、溫升及噪音等參數(shù)，進(jìn)而會影響工件的加工質(zhì)量，例如零件的尺寸精度，表面粗糙度等指標(biāo)。因此，為了保持優(yōu)秀的機床加工能力，必須配用高性能的軸承。用于機床主軸上的軸承精度應(yīng)為ISO P5或以上（P5 或P4 是ISO的精度等級，通常從低到高為P0, P6, P5, P4, P2），而對于數(shù)控機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸支承，則需選用ISO P4或以上的精度；主軸軸承包括角接觸球軸承、圓錐滾子軸承，以及圓柱滾子軸承等類型。

圖1. 機床主軸

　　精密角接觸球軸承

　　在上述的幾種軸承中，以精密角接觸球軸承（見圖2）的使用最為廣泛。我們都知道角接觸球軸承的滾動體是球；因為它是一種點接觸（區(qū)別于滾子軸承的線接觸），所以它能提供更高的轉(zhuǎn)速、更小的發(fā)熱量和更高的旋轉(zhuǎn)精度。在一些超高速的主軸應(yīng)用場合，還會采用陶瓷球（一般為Si3N4或者是Al2O3）的混合型軸承。與傳統(tǒng)的全淬透鋼球相比，陶瓷球材料自身的特點賦予了陶瓷球軸承具有高剛度、高轉(zhuǎn)速、耐高溫、壽命長的特點，從而滿足高端客戶對機床軸承產(chǎn)品的需求。

　　就角接觸球軸承的接觸角而言，目前比較流行的是15?和25?的接觸角；通常15?的接觸角具有比較高的轉(zhuǎn)速性能，而25?的接觸角具有較高的軸向承載能力。由于預(yù)載的選擇對于精密角接觸球軸承應(yīng)用的影響非常大，例如，在高承載、高剛性的場合，一般會選用中型或重型的軸承預(yù)載；而針對一些高轉(zhuǎn)速、高精度的應(yīng)用場合，我們在軸承的早期選型中，需要注意選擇合適的預(yù)載，一般輕預(yù)載比較常見。預(yù)載一般分成輕型、中型、重型三種；為了方便客戶的使用，目前世界上的幾大軸承制造商都普遍提供預(yù)先研磨軸承端面而加預(yù)載的軸承，也就是我們通常所說的萬能配對精密角接觸球軸承形式。該類軸承免去了客戶的預(yù)載調(diào)節(jié)，從而節(jié)省了安裝時間。

圖2. 精密角接觸球軸承

精密圓錐滾子軸承

　　在一些重載且對速度有一定要求的機床應(yīng)用場合中---如鍛件的荒磨、石油管道的車絲機、重型車床和銑床等，選擇精密圓錐滾子軸承是一種比較理想的方案。由于圓錐滾子軸承的滾子是線接觸的設(shè)計，因此它能為主軸提供很高的剛性和承載；另外，圓錐滾子軸承是一種純滾動的軸承設(shè)計，它能很好的降低軸承運轉(zhuǎn)扭矩和發(fā)熱，從而確保主軸的轉(zhuǎn)速和精度。由于圓錐滾子軸承能夠在安裝過程中調(diào)節(jié)軸向預(yù)載（游隙），這能讓客戶在軸承的整個使用周期中更好地優(yōu)化軸承游隙調(diào)節(jié)。

　　此外，在一些內(nèi)圈擋邊線速度大于30米/秒的高速應(yīng)用中，某些特殊設(shè)計的圓錐滾子軸承也能滿足要求，如TSMA軸承或Hydra-Rib液力浮動擋邊軸承（見圖3）。TSMA軸承的擋邊有多個軸向方向的潤滑油孔，可采用循環(huán)油潤滑或油霧潤滑，離心力可將油分布到滾子與擋邊接觸區(qū)，從而能更充分地潤滑軸承，提高軸承轉(zhuǎn)速。而Hydra-Rib液力浮動擋邊軸承是專為優(yōu)化主軸系統(tǒng)的預(yù)載而設(shè)計，軸承有可浮動的擋邊，與滾子大端接觸，不像常見的軸承有固定內(nèi)圈擋邊；且該浮動擋邊由“壓力”系統(tǒng)定位，這樣就能保證軸承在各個工況條件下都能發(fā)揮最優(yōu)異的性能, 并且已經(jīng)成功的在國內(nèi)客戶中使用。

圖3. 帶有液力浮動擋邊軸承的主軸設(shè)計

　　對于圓錐滾子軸承的精度選擇而言，ISO P5級的軸承主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的車床和銑床中；如果是加工中心、磨床等應(yīng)用，通常會選擇ISO P4或以上的精密軸承。在主軸設(shè)計中，比較常見的圓錐滾子軸承布局有兩種。第一種是前端和后端各采用一個圓錐滾子軸承，并采用面對面的安裝方式（見圖4）；這類設(shè)計結(jié)構(gòu)緊湊，剛度高且便于安裝和調(diào)節(jié)。

圖4. 單列圓錐滾子軸承成對安裝

　　第二種是采用兩個圓錐滾子軸承面對面安裝作為主軸的前端，而后端使用一個雙外圈、兩個單內(nèi)圈的軸承（TDO）作為浮動端使用（見圖5）；由于具有浮動能力，這類設(shè)計能很好的承受主軸的軸向熱膨脹，且剛度很高，保證了機床的精度。

圖5. 前端單列圓錐滾子軸承成對安裝，后端TDO

精密圓柱滾子軸承

　　在機床主軸的應(yīng)用中，雙列精密圓柱滾子軸承也會被使用到，通常與精密角接觸球軸承或推力軸承組合應(yīng)用。此類軸承能承受較大的徑向載荷并允許有較高的轉(zhuǎn)速。軸承中的兩列滾子以交叉方式排列，旋轉(zhuǎn)時波動頻率比單列軸承大幅提高，振幅降低60%~70％。此類軸承通常有兩種形式：NN30、NN30K兩個系列軸承內(nèi)圈帶擋邊，外圈可分離；NNU49、NNU49K兩個系列軸承外圈帶擋邊，內(nèi)圈可分離，其中NN30K和NNU49K系列內(nèi)圈為錐孔（錐度1：12），與主軸的錐形軸頸配合，軸向移動內(nèi)圈，可使內(nèi)圈脹大，這樣軸承游隙可以被減小甚至預(yù)緊軸承（負(fù)游隙狀態(tài)）。圓柱孔軸承通常采用熱裝，利用過盈配合減小軸承游隙，或者預(yù)緊軸承。對內(nèi)圈可分離的NNU49系列軸承，一般在內(nèi)圈裝上主軸后再對滾道精加工，以提高主軸旋轉(zhuǎn)精度。