機(jī)床軸承選型分析

張榮璐

（中國一重核電石化事業(yè)部，遼寧 大連 116100）

主軸作為機(jī)床的關(guān)鍵部件，性能會直接影響到機(jī)床的旋轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速、剛性、溫升及噪聲等參數(shù)，進(jìn)而影響工件的加工質(zhì)量。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。

1 主軸軸承的選型

用于機(jī)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(jī)床、加工中心等高速、高精密機(jī)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。

1.1 精密角接觸球軸承

精密角接觸球軸承的使用廣泛，角接觸球軸承的滾動體是球，因為它是一種點(diǎn)接觸(區(qū)別于滾子軸承的線接觸)，所以能提供更高的轉(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(diǎn)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(diǎn)，從而滿足高端客戶對機(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)載的選擇對于精密角接觸球軸承應(yīng)用的影響非常大，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，在軸承的早期選型中，需要注意選擇合適的預(yù)載。預(yù)載一般分成輕型、中型、重型三種，一般輕預(yù)載比較常見。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，也就是人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。

1.2 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。

1.3 精密圓錐滾子軸承

在一些重載且對速度有一定要求的機(jī)床應(yīng)用場合中，如鍛件的荒磨、石油管道的車絲機(jī)、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，它能很好地降低軸承運(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)。

2 轉(zhuǎn)臺軸承的選型

數(shù)控機(jī)床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。數(shù)控機(jī)床在加工某些零件的時候，除了需要X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動外，有時候還需要有繞X、Y、Z三個坐標(biāo)軸的圓周運(yùn)動，分別稱為A、B、C軸。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可用來實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動，除此之外，還可以完成分度運(yùn)動。而分度工作臺的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動換刀裝置配合使用，實(shí)現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的多種工序，因此，大大提高了工作效率。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的外形和分度工作臺沒有多大差別，但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點(diǎn)。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺能實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動，所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給驅(qū)動機(jī)構(gòu)有許多共同之處。不同點(diǎn)是驅(qū)動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的是直線進(jìn)給運(yùn)動，而數(shù)控轉(zhuǎn)臺實(shí)現(xiàn)的是圓周進(jìn)給運(yùn)動。

回轉(zhuǎn)工作臺廣泛地使用于各種數(shù)控銑床、鏜床、各種立車以及立銑等機(jī)床。除了要求回轉(zhuǎn)工作臺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)臺軸承，作為轉(zhuǎn)臺的核心部件，在轉(zhuǎn)臺運(yùn)行過程中，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。

2.1 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)計應(yīng)用廣泛，并且成本也相對比較低廉。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比較有限，主要用于小型或中型的機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺。此外推力球的潤滑也比較困難。

2.2 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)潤滑的滑動軸承。靜壓軸承從起動到停止始終在潤滑下工作，所以沒有磨損，使用壽命長，起動功率小；此外，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的軸承，回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)精度也能得到保證。使用該類設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺能承受很高的軸向力，有些工件的重量超過200t以上，轉(zhuǎn)臺直徑超過10m。但是該類設(shè)計也有一些不足之處，由于靜壓軸承必須附帶一套專用的供油系統(tǒng)來供給壓力油，維護(hù)比較復(fù)雜，而且成本也比較高。

2.3 交叉滾子軸承

交叉滾子軸承在轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用比較普遍。交叉滾子軸承的特征是軸承中有兩個滾道,兩排交叉排列的滾子。與傳統(tǒng)的推力軸承+徑向定心軸承組合相比，交叉滾子軸承結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，并簡化了工作臺設(shè)計，從而降低了轉(zhuǎn)臺的成本。由于使用了優(yōu)化的預(yù)緊力，該類軸承具有很高的剛度，因而轉(zhuǎn)臺的剛度和精度也都得到了保證。得益于兩排交叉滾子的設(shè)計，軸承的有效跨距能被顯著提高，所以該類軸承具有很高的抗傾覆力矩。在交叉滾子軸承中，又分成兩種類型：第一種是圓柱交叉滾子軸承，第二種是圓錐交叉滾子軸承。通常，圓柱交叉滾子軸承價格比圓錐交叉滾子軸承低，適用于轉(zhuǎn)速相對較低的轉(zhuǎn)臺應(yīng)用中；而圓錐交叉滾子軸承采用了圓錐滾子的純滾動設(shè)計，具有運(yùn)轉(zhuǎn)精度高，轉(zhuǎn)速能力強(qiáng)，減少了軸長度和加工成本等優(yōu)勢。交叉滾子軸承適用于各種類型的立式或臥式鏜床，以及立磨、立車和大型齒輪銑床等應(yīng)用。

綜上所述，為了能選擇合適尺寸和類型的軸承，需要綜合考慮各種工況條件，例如運(yùn)行速度、潤滑、安裝類型、主軸剛度、精度等要求。就軸承本身而言，只有充分地了解它的設(shè)計特點(diǎn)以及由此帶來的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，才能充分發(fā)揮軸承的性能。軸承作為機(jī)床主軸和轉(zhuǎn)臺的核心部件，對機(jī)床的運(yùn)行表現(xiàn)起到了舉足輕重的作用。

[1]數(shù)控機(jī)床維修技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社.2004.

[2]數(shù)控機(jī)床常見故障快速處理.機(jī)械工業(yè)出版社.2009.