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机床主轴和转台用轴承的合理选用
时间: 2015-10-10 来源: 未知 作者: 铁姆肯公司点击:
主轴的合理选用
用于机床主轴上的轴承精度应为ISO P5或以上（P5 或P4 是ISO的精度等级，通常从低到高为P0、P6、P5、P4、P2），而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISO P4或以上的精度。主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。
1. 精密角接触球轴承
在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承（图1）的使用最为广泛。角接触球轴承的滚动体是球，因为它是一种点接触（区别于滚子轴承的线接触），所以能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球（一般为Si3N4或者是Al2O3）的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。
2. 精密圆锥滚子轴承
在一些重载且对速度有一定要求的机床应用场合中，如锻件的荒磨、石油管道的车丝机、重型车床和铣床等，选择精密圆锥滚子轴承是一种比较理想的方案。由于圆锥滚子轴承的滚子是线接触的设计，因此它能为主轴提供很高的刚性和承载；另外，圆锥滚子轴承是一种纯滚动的轴承设计，它能很好地降低轴承运转扭矩和发热，从而确保主轴的转速和精度。由于圆锥滚子轴承能够在安装过程中调节轴向预载（游隙），这能让客户在轴承的整个使用周期中更好地优化轴承游隙调节。
此外，在一些内圈挡边线速度大于30m/s的高速应用中，某些特殊设计的圆锥滚子轴承也能满足要求，如TSMA轴承或Hydra-Rib液力浮动挡边轴承（图2）。TSMA轴承的挡边有多个轴向方向的润滑油孔，可采用循环油润滑或油雾润滑，离心力可将油分布到滚子与挡边接触区，从而能更充分地润滑轴承，提高轴承转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承是专为优化主轴系统的预载而设计，轴承有可浮动的挡边，与滚子大端接触，不像常见的轴承有固定内圈挡边；且该浮动挡边由“压力”系统定位，这样就能保证轴承在各个工况条件下都能发挥最优异的性能, 并且已经成功地在国内客户中使用。
第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO）作为浮动端使用；由于具有浮动能力，这类设计能很好地承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。
3. 精密圆柱滚子轴承
在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60%～70%。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离；NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔（锥度1:12），与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承（负游隙状态）。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。
转台轴承的合理选型
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周运动，分别称为A、B、C轴。
数控回转工作台可用来实现圆周进给运动，除此之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。
回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车以及立铣等机床。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外，还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承，作为转台的核心部件，在转台运行过程中，不仅要具有很高的承载能力，还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。
1. 推力球轴承+圆柱滚子轴承
推力球轴承能承受一定的轴向力，所以该轴承主要用于承受工件的重量；而圆柱滚子轴承主要用于径向的定位和承受外部的径向力（例如切削力、铣削力等）。该类设计应用广泛，并且成本也相对比较低廉。由于推力球是一种点接触的轴承，所以它的轴向承载力相对比较有限，主要用于小型或中型的机床回转工作台。此外推力球的润滑也比较困难。
2. 静压轴承+精密圆柱滚子轴承
静压轴承是一种靠外部供给压力油，在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作，所以没有磨损，使用寿命长，起动功率小；此外，这种轴承还具有旋转精度高，油膜刚度大，能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有很好的径向承载力，并且由于采用了精密级的轴承，回转工作台的回转精度也能得到保证。使用该类设计的回转工作台能承受很高的轴向力，有些工件的重量超过200t以上，转台直径超过10m。但是该类设计也有一些不足之处，由于静压轴承必须附带一套专用的供油系统来供给压力油，维护比较复杂，而且成本也比较高。
3. 交叉滚子轴承
交叉滚子轴承（图3）在转台上的应用比较普遍。交叉滚子轴承的特征是轴承中有两个滚道, 两排交叉排列的滚子。与传统的推力轴承+径向定心轴承组合相比（图4），交叉滚子轴承结构紧凑、体积小巧，并简化了工作台设计，从而降低了转台的成本。另外，由于使用了优化的预紧力，该类轴承具有很高的刚度，因而转台的刚度和精度也都得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计，轴承的有效跨距能被显著提高，所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。在交叉滚子轴承中，又分成两种类型：第一种是圆柱交叉滚子轴承，第二种是圆锥交叉滚子轴承。通常，圆柱交叉滚子轴承价格比圆锥交叉滚子轴承低，适用于转速相对较低的转台应用中；而圆锥交叉滚子轴承采用了圆锥滚子的纯滚动设计，具有运转精度高，转速能力强，减少了轴长度和加工成本等优势。交叉滚子轴承适用于各种类型的立式或卧式镗床，以及立磨、立车和大型齿轮铣床等应用。
总而言之，轴承作为机床主轴和转台的核心部件，对机床的运行表现起到了举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承，我们需要综合考虑各种工况条件，例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言，只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点，才能发挥出轴承的最佳性能。(end)
用于机床主轴上的轴承精度应为ISO P5或以上（P5 或P4 是ISO的精度等级，通常从低到高为P0、P6、P5、P4、P2），而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISO P4或以上的精度。主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。
1. 精密角接触球轴承
在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承（图1）的使用最为广泛。角接触球轴承的滚动体是球，因为它是一种点接触（区别于滚子轴承的线接触），所以能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球（一般为Si3N4或者是Al2O3）的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。
精密角接触球轴承
2. 精密圆锥滚子轴承
在一些重载且对速度有一定要求的机床应用场合中，如锻件的荒磨、石油管道的车丝机、重型车床和铣床等，选择精密圆锥滚子轴承是一种比较理想的方案。由于圆锥滚子轴承的滚子是线接触的设计，因此它能为主轴提供很高的刚性和承载；另外，圆锥滚子轴承是一种纯滚动的轴承设计，它能很好地降低轴承运转扭矩和发热，从而确保主轴的转速和精度。由于圆锥滚子轴承能够在安装过程中调节轴向预载（游隙），这能让客户在轴承的整个使用周期中更好地优化轴承游隙调节。
此外，在一些内圈挡边线速度大于30m/s的高速应用中，某些特殊设计的圆锥滚子轴承也能满足要求，如TSMA轴承或Hydra-Rib液力浮动挡边轴承（图2）。TSMA轴承的挡边有多个轴向方向的润滑油孔，可采用循环油润滑或油雾润滑，离心力可将油分布到滚子与挡边接触区，从而能更充分地润滑轴承，提高轴承转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承是专为优化主轴系统的预载而设计，轴承有可浮动的挡边，与滚子大端接触，不像常见的轴承有固定内圈挡边；且该浮动挡边由“压力”系统定位，这样就能保证轴承在各个工况条件下都能发挥最优异的性能, 并且已经成功地在国内客户中使用。
带液力浮动挡边轴承的主轴设计
第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO）作为浮动端使用；由于具有浮动能力，这类设计能很好地承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。
3. 精密圆柱滚子轴承
在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60%～70%。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离；NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔（锥度1:12），与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承（负游隙状态）。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。
转台轴承的合理选型
数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X、Y、Z三个坐标轴的圆周运动，分别称为A、B、C轴。
数控回转工作台可用来实现圆周进给运动，除此之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。
回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车以及立铣等机床。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外，还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承，作为转台的核心部件，在转台运行过程中，不仅要具有很高的承载能力，还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。
1. 推力球轴承+圆柱滚子轴承
推力球轴承能承受一定的轴向力，所以该轴承主要用于承受工件的重量；而圆柱滚子轴承主要用于径向的定位和承受外部的径向力（例如切削力、铣削力等）。该类设计应用广泛，并且成本也相对比较低廉。由于推力球是一种点接触的轴承，所以它的轴向承载力相对比较有限，主要用于小型或中型的机床回转工作台。此外推力球的润滑也比较困难。
2. 静压轴承+精密圆柱滚子轴承
静压轴承是一种靠外部供给压力油，在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作，所以没有磨损，使用寿命长，起动功率小；此外，这种轴承还具有旋转精度高，油膜刚度大，能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有很好的径向承载力，并且由于采用了精密级的轴承，回转工作台的回转精度也能得到保证。使用该类设计的回转工作台能承受很高的轴向力，有些工件的重量超过200t以上，转台直径超过10m。但是该类设计也有一些不足之处，由于静压轴承必须附带一套专用的供油系统来供给压力油，维护比较复杂，而且成本也比较高。
3. 交叉滚子轴承
交叉滚子轴承（图3）在转台上的应用比较普遍。交叉滚子轴承的特征是轴承中有两个滚道, 两排交叉排列的滚子。与传统的推力轴承+径向定心轴承组合相比（图4），交叉滚子轴承结构紧凑、体积小巧，并简化了工作台设计，从而降低了转台的成本。另外，由于使用了优化的预紧力，该类轴承具有很高的刚度，因而转台的刚度和精度也都得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计，轴承的有效跨距能被显著提高，所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。在交叉滚子轴承中，又分成两种类型：第一种是圆柱交叉滚子轴承，第二种是圆锥交叉滚子轴承。通常，圆柱交叉滚子轴承价格比圆锥交叉滚子轴承低，适用于转速相对较低的转台应用中；而圆锥交叉滚子轴承采用了圆锥滚子的纯滚动设计，具有运转精度高，转速能力强，减少了轴长度和加工成本等优势。交叉滚子轴承适用于各种类型的立式或卧式镗床，以及立磨、立车和大型齿轮铣床等应用。
总而言之，轴承作为机床主轴和转台的核心部件，对机床的运行表现起到了举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承，我们需要综合考虑各种工况条件，例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言，只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点，才能发挥出轴承的最佳性能。(end)