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如何選擇機床主軸的軸承？

2013-5-15 來源：作者：

機床工具行業作為機械裝備工業的重要（yào）組成部分，在整個國民經濟的發展過程中起著舉足輕重的作用。據統計，在一般（bān）的機（jī）器製造中，機床（chuáng）所擔負的（de）加工工作量占總製造工作量的40%～60%左右，因而機（jī）床業發展水平通常是一個國家工業發展水平的標誌。隨（suí）著現代製造業的日益（yì）發展，客戶對於（yú）工業母（mǔ）機-機床的要求也越來越高。目前，新材料、新工藝、新設備的不斷湧現，對（duì）機床的加工能力（lì）帶來了許多的挑戰，為了能滿足對上（shàng）述結（jié）構件的（de）加（jiā）工，現代機床正向著“高速、精密（mì）、複合（hé）、智能化”的方向發展。

　　隨著我國產（chǎn）業結構升（shēng）級的深入，機床行業內也顯示產業結構升級的趨勢，即數控機床比例逐步上升，在數控（kòng）領域，高端數控機床（如重型（xíng）機床、智能機床（chuáng）等）所占的比例（lì）也不斷上（shàng）升，重型機床產品主要（yào）是為國家能源（火電、水電、核（hé）電（diàn）、風力發電）、船舶（bó）製造、工程機械、冶金、航天、軍工、交通運輸（鐵路、汽車）等主要工業支柱產業以（yǐ）及國家重點工程項目服務，國家重點工程項目為重型機床提（tí）供了廣闊的（de）市場（chǎng）。

　　那麽，如何選擇機床中應用於主軸軸承（chéng）呢？

一、主軸軸承

　　主軸（見圖1）作為機床的關鍵部件，其性能（néng）會直接影響到機床的旋轉精度、轉速、剛性（xìng）、溫升及（jí）噪音等參數，進而會影響工件的加工質量，例如零件的尺寸精度，表麵粗糙度等（děng）指標。因此，為了保持優秀的機床加工能力，必須配用高性能的（de）軸承。用於機（jī）床主軸上的軸承精度（dù）應為ISO P5或以（yǐ）上（P5 或P4 是ISO的精度等級，通常從低到高為P0, P6, P5, P4, P2），而對於數控機床、加工中心等高（gāo）速、高精密機床的主軸支承，則需選用（yòng）ISO P4或以（yǐ）上的精度；主軸軸承包括角接觸球軸承、圓錐滾（gǔn）子軸（zhóu）承，以及圓（yuán）柱滾子軸承等（děng）類型。

圖1. 機床主軸

　　精密（mì）角接（jiē）觸球軸承

　　在上述（shù）的幾種軸承中（zhōng），以（yǐ）精密角接觸球軸承（見圖（tú）2）的使用（yòng）最（zuì）為廣泛。我們都知道角接觸球軸（zhóu）承的滾動體是球；因（yīn）為它是一種點接觸（區別於滾子軸承的線（xiàn）接觸），所以它能提供更高（gāo）的轉速、更小的發熱量和更高的旋轉精度。在一些超高速的主（zhǔ）軸應用場合，還會采（cǎi）用陶瓷球（一般為Si3N4或者是Al2O3）的混合型軸承。與傳統的全淬透鋼球相比，陶瓷（cí）球材料自身的特點賦予了陶瓷球軸承具有高剛度、高轉速、耐高溫、壽命長的特點，從而滿足高端客戶（hù）對機床軸承產品的需求。

　　就角接觸球軸承的接（jiē）觸角而言（yán），目前（qián）比較流（liú）行的（de）是15?和25?的接觸角；通常15?的（de）接觸角具有（yǒu）比較高（gāo）的（de）轉速性能，而25?的接（jiē）觸角具有較高（gāo）的軸向承載能（néng）力。由（yóu）於預載的選擇對於精密角接觸球軸承應用（yòng）的影響非常大，例如，在高承載、高剛性的場合，一般會選用中（zhōng）型或重型（xíng）的軸（zhóu）承預載；而（ér）針對一些高轉速（sù）、高精度（dù）的應用場合，我們在軸承的（de）早（zǎo）期選型中，需要注意（yì）選擇合適的預載，一般輕預載比（bǐ）較（jiào）常見。預載一般分成輕型、中型、重型三種（zhǒng）；為了（le）方便客戶的使用，目（mù）前世（shì）界上的幾大軸承製造商都普遍提（tí）供（gòng）預先研磨軸承端麵而加預載的（de）軸承，也就是我們通常所說（shuō）的（de）萬能配對精密角接觸球軸承形式。該（gāi）類軸承免去了客戶的預載調節，從而節省了安裝時間。

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（duì）速度有一定要求的機床（chuáng）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（zé）精密圓錐滾子軸承是一種比較理想的（de）方案。由於圓錐滾子軸承（chéng）的滾（gǔn）子是線接觸的設計（jì），因此它能為主（zhǔ）軸提供（gòng）很高的（de）剛性和承載；另外，圓錐滾（gǔn）子軸承是一（yī）種純滾動的軸承設計，它能很好的降低軸承運轉扭矩和發熱，從而確保主軸的轉速和精度。由於（yú）圓錐滾子軸承能夠在安裝過程中調（diào）節軸向預載（遊隙），這能讓客戶在軸承的整個使（shǐ）用周期中更好地優（yōu）化軸承遊隙調節。

　　此外，在一些（xiē）內圈擋邊線（xiàn）速度大於30米/秒的高（gāo）速（sù）應用中，某些特（tè）殊設計的圓錐滾子軸承也能（néng）滿足要求（qiú），如TSMA軸承或Hydra-Rib液力浮（fú）動擋邊軸承（見圖3）。TSMA軸承的（de）擋邊（biān）有多個軸向方向的潤滑油孔，可采用循環油潤滑或油（yóu）霧潤（rùn）滑，離心力可將油分布到滾子與（yǔ）擋邊接觸區，從而能更充分地潤滑軸承，提高軸承（chéng）轉速。而Hydra-Rib液力浮動擋邊軸承是專為優化主軸係統的預載而設計，軸承有可浮動的擋邊，與滾子大端接觸，不（bú）像常見的軸（zhóu）承有固定內圈擋邊；且（qiě）該浮動擋邊由“壓力”係統定位，這（zhè）樣就能保證軸承在各個（gè）工況條件下都能發揮最優異（yì）的性能, 並（bìng）且已（yǐ）經成功的在（zài）國內客戶中使用。

圖3. 帶有液力浮動擋邊軸承的主軸設計

　　對（duì）於圓錐滾子軸承的（de）精度選擇而言，ISO P5級的軸承主要應（yīng）用在傳統的車床和銑床中；如果是（shì）加工中心、磨床等（děng）應用，通常會選擇ISO P4或以上的精密軸承。在主軸設計中，比較常見的圓錐滾子（zǐ）軸（zhóu）承布局有兩種。第一種是前端和後端各采用一個圓（yuán）錐滾子軸承（chéng），並采用麵對麵的安（ān）裝方（fāng）式（見圖（tú）4）；這（zhè）類（lèi）設計結構（gòu）緊湊，剛度高且便於安裝和調節。

圖4. 單列（liè）圓錐滾子軸承成對安裝

　　第二種是采（cǎi）用兩個圓錐滾子（zǐ）軸承麵對麵安裝（zhuāng）作為（wéi）主軸的（de）前端，而後端使用一個雙外圈、兩個單內圈的軸承（TDO）作（zuò）為浮動端使用（見圖（tú）5）；由於具有浮動（dòng）能力，這類設計能很好的承受主軸的軸向熱膨（péng）脹，且剛度（dù）很高，保證了機床的精度。

圖5. 前端單列（liè）圓（yuán）錐滾子軸承成對安（ān）裝（zhuāng），後端TDO

精密圓柱滾子軸承

　　在機床主軸的應用（yòng）中，雙列（liè）精密圓柱滾子軸承也（yě）會被使用到，通常與精密角接觸（chù）球軸（zhóu）承或推力軸承（chéng）組合應用。此類軸承能承受（shòu）較大的（de）徑向載荷並允許有（yǒu）較高的轉速。軸承中的兩列滾子以交叉方式排列，旋轉時波動頻率比單列軸承大幅提高，振幅降低（dī）60%~70％。此類（lèi）軸承通常有兩種形式：NN30、NN30K兩個係列（liè）軸承內（nèi）圈帶擋邊，外（wài）圈可分離（lí）；NNU49、NNU49K兩個係列軸承外圈帶擋邊，內圈可分離，其中NN30K和NNU49K係列內圈為錐孔（錐度1：12），與主軸的錐形軸（zhóu）頸配合，軸向移動內圈，可使內圈脹大，這樣軸承（chéng）遊隙可（kě）以被減小甚至預緊軸承（負遊隙（xì）狀（zhuàng）態（tài））。圓柱孔（kǒng）軸承通常采（cǎi）用熱裝，利用過盈（yíng）配合減小軸承遊隙，或者預緊軸承。對內圈可分離（lí）的NNU49係列軸（zhóu）承，一般在內（nèi）圈裝上主軸（zhóu）後再對（duì）滾道精加工，以提高主軸旋轉精度。