機(jī)床主軸和轉(zhuǎn)臺軸承選型指南

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。本文主要闡述主軸軸承的選型以及轉(zhuǎn)臺軸承的選型。一、主軸軸承主軸（見圖1）作為機(jī)床的關(guān)鍵部件，其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(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，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?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，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(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，ISOP5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ISOP4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(jī)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(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。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：軸承精度等級二、轉(zhuǎn)臺軸承數(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，我們分別稱為A,B,C軸（見圖6）。圖6.機(jī)床坐標(biāo)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。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺（簡稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺）除了可以實(shí)現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動之外，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?；剞D(zhuǎn)工作臺廣泛地使用于各種數(shù)控銑床、鏜床、各種立車、立銑等機(jī)床上。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。在回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計中，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)計應(yīng)用廣泛，并且成本也相對比較的低廉。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比較有限，主要用于小型或中型的機(jī)床回轉(zhuǎn)工作臺中。此外推力球的潤滑也比較困難。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)液體潤滑的滑動軸承。液體靜壓軸承從起動到停止始終在液體潤滑下工作，所以沒有磨損，使用壽命長，起動功率?。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的軸承，回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)精度也能得到很好地保證。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200噸以上，轉(zhuǎn)臺直徑超過10米。但是該類設(shè)計也有一些不足之處，