機(jī)床主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)軸承選型指南

軸承作為機(jī)床主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)的核心部件，對(duì)機(jī)床的運(yùn)行表現(xiàn)起到了舉足輕重的作用。本文主要闡述主軸軸承的選型以及轉(zhuǎn)臺(tái)軸承的選型。一、主軸軸承主軸（見(jiàn)圖1）作為機(jī)床的關(guān)鍵部件，其性能會(huì)直接影響到機(jī)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(huì)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(jī)床加工能力，必須配用高性能的軸承。用于機(jī)床主軸上的軸承精度應(yīng)為ISOP5或以上（P5或P4是ISO的精度等級(jí)，通常從低到高為P0,P6,P5,P4,P2），而對(duì)于數(shù)控機(jī)床、加工中心等高速、高精密機(jī)床的主軸支承，則需選用ISOP4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(jī)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(jiàn)圖2）的使用最為廣泛。我們都知道角接觸球軸承的滾動(dòng)體是球；因?yàn)樗且环N點(diǎn)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(chǎng)合，還會(huì)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(diǎn)賦予了陶瓷球軸承具有高剛度、高轉(zhuǎn)速、耐高溫、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，從而滿足高端客戶對(duì)機(jī)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(duì)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(chǎng)合，一般會(huì)選用中型或重型的軸承預(yù)載；而針對(duì)一些高轉(zhuǎn)速、高精度的應(yīng)用場(chǎng)合，我們?cè)谳S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(jiàn)。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(shuō)的萬(wàn)能配對(duì)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(shí)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(duì)速度有一定要求的機(jī)床應(yīng)用場(chǎng)合中---如鍛件的荒磨、石油管道的車(chē)絲機(jī)、重型車(chē)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(jì)，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(dòng)的軸承設(shè)計(jì)，它能很好的降低軸承運(yùn)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(guò)程中調(diào)節(jié)軸向預(yù)載（游隙），這能讓客戶在軸承的整個(gè)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(jì)的圓錐滾子軸承也能滿足要求，如TSMA軸承或Hydra-Rib液力浮動(dòng)擋邊軸承（見(jiàn)圖3）。TSMA軸承的擋邊有多個(gè)軸向方向的潤(rùn)滑油孔，可采用循環(huán)油潤(rùn)滑或油霧潤(rùn)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(rùn)滑軸承，提高軸承轉(zhuǎn)速。而Hydra-Rib液力浮動(dòng)擋邊軸承是專為優(yōu)化主軸系統(tǒng)的預(yù)載而設(shè)計(jì)，軸承有可浮動(dòng)的擋邊，與滾子大端接觸，不像常見(jiàn)的軸承有固定內(nèi)圈擋邊；且該浮動(dòng)擋邊由“壓力”系統(tǒng)定位，這樣就能保證軸承在各個(gè)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(guó)內(nèi)客戶中使用。圖3.帶有液力浮動(dòng)擋邊軸承的主軸設(shè)計(jì)對(duì)于圓錐滾子軸承的精度選擇而言，ISOP5級(jí)的軸承主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的車(chē)床和銑床中；如果是加工中心、磨床等應(yīng)用，通常會(huì)選擇ISOP4或以上的精密軸承。在主軸設(shè)計(jì)中，比較常見(jiàn)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(gè)圓錐滾子軸承，并采用面對(duì)面的安裝方式（見(jiàn)圖4）；這類設(shè)計(jì)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(duì)安裝第二種是采用兩個(gè)圓錐滾子軸承面對(duì)面安裝作為主軸的前端，而后端使用一個(gè)雙外圈、兩個(gè)單內(nèi)圈的軸承（TDO）作為浮動(dòng)端使用（見(jiàn)圖5）；由于具有浮動(dòng)能力，這類設(shè)計(jì)能很好的承受主軸的軸向熱膨脹，且剛度很高，保證了機(jī)床的精度。圖5.前端單列圓錐滾子軸承成對(duì)安裝，后端TDO精密圓柱滾子軸承在機(jī)床主軸的應(yīng)用中，雙列精密圓柱滾子軸承也會(huì)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(shí)波動(dòng)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(gè)系列軸承內(nèi)圈帶擋邊，外圈可分離；NNU49、NNU49K兩個(gè)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(dòng)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(guò)盈配合減小軸承游隙，或者預(yù)緊軸承。對(duì)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(duì)滾道精加工，以提高主軸旋轉(zhuǎn)精度。附表一：各類主軸軸承性能比較*單列軸承只在單一方向承受軸向力。附表二：軸承精度等級(jí)二、轉(zhuǎn)臺(tái)軸承數(shù)控機(jī)床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)有分度工作臺(tái)和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)。數(shù)控機(jī)床在加工某些零件的時(shí)候，除了需要X,Y,Z三個(gè)坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)外，有時(shí)候還需要有繞X,Y,Z三個(gè)坐標(biāo)軸的圓周運(yùn)動(dòng)，我們分別稱為A,B,C軸（見(jiàn)圖6）。圖6.機(jī)床坐標(biāo)軸數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)可用來(lái)實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)（簡(jiǎn)稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)）除了可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之外，還可以完成分度運(yùn)動(dòng)。而分度工作臺(tái)的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動(dòng)換刀裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個(gè)面的多種工序，因此，大大提高了工作效率。數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的外形和分度工作臺(tái)沒(méi)有多大差別，但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點(diǎn)。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)有許多共同之處。不同點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，而數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)的是圓周進(jìn)給運(yùn)動(dòng)?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)廣泛地使用于各種數(shù)控銑床、鏜床、各種立車(chē)、立銑等機(jī)床上。除了要求回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能很好地承受工件重量外，還需要保證其在承載下的回轉(zhuǎn)精度。轉(zhuǎn)臺(tái)軸承，作為轉(zhuǎn)臺(tái)的核心部件，在轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，不僅要具有很高的承載能力，還需具備高回轉(zhuǎn)精度、高抗傾覆能力、以及較高的轉(zhuǎn)速能力等。在回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)中，使用的比較多的軸承類型大致分為這么幾種：推力球軸承+圓柱滾子軸承推力球軸承能承受一定的軸向力，所以該軸承主要用于承受工件的重量；而圓柱滾子軸承主要用于徑向的定位和承受外部的徑向力（例如切削力、銑削力等）。該類設(shè)計(jì)應(yīng)用廣泛，并且成本也相對(duì)比較的低廉。由于推力球是一種點(diǎn)接觸的軸承，所以它的軸向承載力相對(duì)比較有限，主要用于小型或中型的機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺(tái)中。此外推力球的潤(rùn)滑也比較困難。靜壓軸承+精密圓柱滾子軸承靜壓軸承是一種靠外部供給壓力油，在軸承內(nèi)建立靜壓承載油膜以實(shí)現(xiàn)液體潤(rùn)滑的滑動(dòng)軸承。液體靜壓軸承從起動(dòng)到停止始終在液體潤(rùn)滑下工作，所以沒(méi)有磨損，使用壽命長(zhǎng)，起動(dòng)功率?。淮送?，這種軸承還具有旋轉(zhuǎn)精度高，油膜剛度大，能抑制油膜振蕩等優(yōu)點(diǎn)。精密圓柱滾子軸承具有很好的徑向承載力，并且由于采用了精密級(jí)的軸承，回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的回轉(zhuǎn)精度也能得到很好地保證。使用該類設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能承受很高的軸向力，有些工件的重量超過(guò)200噸以上，轉(zhuǎn)臺(tái)直徑超過(guò)10米。但是該類設(shè)計(jì)也有一些不足之處，