滾珠絲杠用60°角接觸球軸承支撐結構分析

宗 華

（阜新天源鋼球制造有限公司， 遼寧 阜新 123002）

0 引言

滾珠絲杠是一種對精度有著較高要求的驅動部件，當它在運行時，剛度的高低對驅動精度有著較大影響。為了與數控機床高剛度、高精度的生產模式相互契合，必須選用剛度高、精度大的球螺桿副，并選用剛度高、精度大、摩擦力矩小的軸承。滾珠絲杠所承受的載荷主要是軸向載荷，而徑向負荷則是螺桿自身質量，因此，必須采用高剛度、高精度的60°大推力角接觸球軸承來用于滾珠絲杠固定端的支撐，該類型軸承具有高剛度、低扭矩、高精度和高軸向負荷能力等優點，特別適用于滾珠絲杠的緊固端部支撐。所以，對其支撐結構進行分析有一定的意義。

1 60°角接觸球軸承工作原理

如圖1 所示，為60°角接觸球軸承的接觸角示意圖，其接觸角α 的大小與滾珠的數量以及滾珠所受到的載荷Fa有關，具體的關系是：接觸角的正弦值與滾珠數目及滾珠載荷之間的乘積就等于軸承所受的軸向載荷[1]。在相同的載荷下，珠子的數量和接觸角都會增大，因此軸向負荷會隨之變大；在相同的軸向負荷下，隨著接觸角的增大，單珠子所受的負荷將會降低，這同時也就降低了軸承的彈性變形量，相應的增加了軸承的整體剛度，使其使用壽命有所增長。

圖1 角接觸球軸承的接觸角示意圖

常規的角接觸球軸承，其接觸角一般是15°～40°，主要起到承擔徑向載荷的功能，而60°角接觸球軸承，其軸流式強度一般是常規角球軸承的2 倍。相比于普通的角接觸軸承，60°角接觸球軸承的滾珠數量有所增加，如果滾珠數量超過了深溝滾子軸承，增加了負荷力，但由于滾珠直徑也隨之減小，同時軸承類型的起動轉矩也減小，其摩擦力矩比圓錐滾子軸承小，因此即使憑借著較小的傳動功率，也能夠達到很大的旋轉精度，并能在高轉速下依然可以保持穩定[2]。60°角接觸球軸承結構不可分離，采用TN玻璃纖維增強的尼龍66 保持架，質量輕的同時又可以保持較好的工藝性，自帶潤滑效果好，產品規格有7602 和7603 系 列，如760201TN1～760226TN 1、760304TN1～760326TN1 等。

2 角接觸球軸承組配方式分析

由于單獨的角接觸球軸承通常只接受一個方向的軸流式載荷，因此，它需要與另一個角接觸球軸承結合，這是一個可以接受兩個方向的軸向和徑向載荷的組合。其中，角接觸球軸承主要有三種組合：背對背組合、面對面組合以及串聯（同方向）式組合，如圖2所示。

圖2 角接觸球軸承組配方式

1）背對背組合（DB）：這個復合結構的承載方式是向外側擴展的，有效支點的寬度會得到進一步的擴大，不但可以實現對軸向載荷的承載，徑向載荷也不例外，抗傾特性優異。

2）面對面組合（DF）：該組合結構的力作用線向內收斂，軸承之間的有效支點間距變小。它可以承受兩個不同方向的軸向和徑向載荷，但其抗傾斜能力較差，并會降低軸承的極限轉速。它通常適用于需要精確對中的場合。

3）串列式組合（DT）：該組合力線是平行的，只能承受一個方向的軸向和徑向載荷。如果有相反的軸向載荷，就必須由另一組相對的固定端支撐來完成。考慮到其安裝方位的固定，因而角接觸球軸承的方向也是不變的，在組裝過程中，為防止組裝時發生倒置，其外環上壓印有“V”型標志，經配合后若形成“V”字型，則表示其布置是正確的。

3 滾珠絲桿傳動機構固定端支撐

滾珠絲桿傳動機構的固定端也叫作靜止端，一般使用BK 系列（正方形），其型號可劃分為BK10～BK40，如圖3 所示，為典型的固定端支撐單元結構。軸承是以60°角接觸球軸承為基礎，其固定端由一組裝配方式構成，軸承經過預壓縮，可確保軸向零間隙和高剛度，并能在軸向和徑向上分別承擔約束和負載，外環和內環的軸向間隙可調節，外環、內環通過軸承蓋和鎖緊螺栓進行壓力調節，以調節預緊力，改善軸承剛度。通常情況下，滾珠絲杠的驅動機構是以其固定端為傳動軸，并以此為參考，通過此傳動端計算出其大小和誤差。在固定端的軸承中預先加載油脂，使其外徑和孔公差分別為H5 和H6。

圖3 固定端支撐結構

固定端鎖定螺帽用于軸向固定軸承和絲桿，以增加軸承剛度，同時特別設計了緊固螺絲和防護墊圈（銅板），該緊固螺絲由防護墊圈緊緊地壓在球形絲桿上，使其不會出現任何松動。采用鉻鋼制成的鎖緊螺帽，經過調質、熱處理，其硬度（HRC）為38～42，鎖定螺帽的端面與支座的端面緊密配合，經過研磨后，使其平面度和垂直度的精度都能達到0.01 mm。除60°角接觸球軸承外，固定端支架還可選擇圓錐滾子軸承、雙向推力角接觸球、圓錐滾子軸承和深溝球軸承、推力球軸承和深槽球軸承、止推滾子軸承和滾針軸承等軸承組合，但要數60°角接觸球軸承的支撐效果最好。

4 滾珠絲杠用60°角接觸球軸承選型與壽命計算

4.1 軸承選型

從有關滾珠絲杠的設計計算可知，南京工藝設備制造有限公司生產的滾珠絲杠是目前市面上使用最多的滾珠絲杠，它的特殊性能包括浮式內循環、預緊雙螺帽襯套、直筒球螺桿。滾珠絲杠具有40 mm 的內徑，滾珠絲杠的軸系系統配有兩個固定支撐機構。滾珠絲杠60°角接觸球軸承使用60°角觸點球形推力球軸承一對。由于滾珠絲桿的直徑小于34.9 mm，所以選擇了30 mm 的內徑。最后，根據查閱60°接觸球的有關數據，確定了其最終型號為7602030 角接觸球軸承。

4.2 軸承壽命計算

在對軸承壽命進行計算時，60°推力角接觸球與普通軸承的使用壽命計算過程基本一致，首先應該確定接觸球軸承的當量動載荷P=fp（XFr+YFa）[3]，其中fp為載荷系數，軸承的軸向載荷Fa為2 274 N，徑向載荷Fr為1 000 N，其中X 和Y 為等效動載荷系數，根據Fa/Fr的比值進行對比，具體的情況如表1 所示。

表1 當量動負荷因數

從上文可知，Fa/Fr=2 274/1 000=2.274，由于Fa/Fr＞2.17，兩個60°角接觸推力球軸承用于背對背（DB）匹配，X=0.92，Y=1 可通過參考表2 獲得，最終取fp=1.1，所以當量動載荷P=1.1×（0.92×1 000 N+1×2 274 N）=3 832.8 N。通過動載荷能夠得出（其中n 為轉速，取60 r/min；[Lh]為壽命，取2 400；e 取3；fT為系數，取1），在實際情況下，軸承的動載荷C 為16 944.19 N。得到了軸承的動載荷后，出于嚴謹性還應繼續對所計算出的軸承動載荷進行校核，參考60°角接觸球軸承的相關說明，可以看出7602030 角接觸球軸承的額定動載荷Cr為26 000 N，相應的靜態負載C0r=56 000 N，因為其額定動態負載Cr=26 000 N，比計算的實際動態負載C=16 944.19 N。因此，可以認為使用7602030 型角接觸球軸承具有足夠的承載能力。

依據以往的滾珠絲杠設計和計算過程，得出角接觸軸承所能承載的極限軸向載荷FB，max可達7 024 N，而角接觸軸承所承受的實際預載不低于其極限軸向負載的1/3，即2 341.4 N，根據有關說明書，7602030 角接觸球軸承的預加力為2 900 N，所以，角接觸球軸承的預加力要比實際的預加力大，采用7602030 型60°角接觸軸承來作為滾珠絲杠的支撐結構就顯得十分合理。經過預壓處理后，軸承的軸向間隙基本消失，具備較高的剛度和承載能力。

5 結語

為了適應高精度、高剛度的數控機床進給系統，必須使用具有高軸向剛度、低摩擦扭矩和高速的軸承。針對上述問題，本文主要對滾珠絲杠用60°角接觸軸承的支撐結構進行了分析研究。首先對該類型軸承的工作原理進行了簡要闡述，分析了其具體的組配方式。然后對滾珠絲杠傳動機構固定端展開了介紹，并最終進行了角接觸軸承的選型及壽命計算，選定軸承型號為7602030 型，其具有較高剛度和承載力，符合生產要求。