機床軸承選型分析

張榮璐

（中國一重核電石化事業(yè)部，遼寧 大連 116100）

主軸作為機床的關(guān)鍵部件，性能會直接影響到機床的旋轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速、剛性、溫升及噪聲等參數(shù)，進而影響工件的加工質(zhì)量。為了保持優(yōu)秀的機床加工能力，必須配用高性能的軸承。

1 主軸軸承的選型

用于機床主軸上的軸承精度應為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。

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。由于預載的選擇對于精密角接觸球軸承應用的影響非常大，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載；而針對一些高轉(zhuǎn)速、高精度的應用場合，在軸承的早期選型中，需要注意選擇合適的預載。預載一般分成輕型、中型、重型三種，一般輕預載比較常見。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先研磨軸承端面而加預載的軸承，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

在機床主軸的應用中，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緊軸承 (負游隙狀態(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床應用場合中，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計，它能很好地降低軸承運轉(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)控機床在加工某些零件的時候，除了需要X、Y、Z三個坐標軸的直線進給運動外，有時候還需要有繞X、Y、Z三個坐標軸的圓周運動，分別稱為A、B、C軸。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可用來實現(xiàn)圓周進給運動，除此之外，還可以完成分度運動。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。由于數(shù)控轉(zhuǎn)臺能實現(xiàn)進給運動，所以它在結(jié)構(gòu)上和數(shù)控機床的進給驅(qū)動機構(gòu)有許多共同之處。不同點是驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的是直線進給運動，而數(shù)控轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)的是圓周進給運動。

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)。該類設計應用廣泛，并且成本也相對比較低廉。由于推力球是一種點接觸的軸承，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??；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。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，維護比較復雜，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，并簡化了工作臺設計，從而降低了轉(zhuǎn)臺的成本。由于使用了優(yōu)化的預緊力，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)臺應用中；而圓錐交叉滾子軸承采用了圓錐滾子的純滾動設計，具有運轉(zhuǎn)精度高，轉(zhuǎn)速能力強，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計特點以及由此帶來的優(yōu)點和缺點，才能充分發(fā)揮軸承的性能。軸承作為機床主軸和轉(zhuǎn)臺的核心部件，對機床的運行表現(xiàn)起到了舉足輕重的作用。

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

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