機床主軸和轉(zhuǎn)臺軸承選型指南

　　一、主軸軸承

　　主軸（見圖1）作為機床的關(guān)鍵部件，其性能會直接影響到機床的旋轉(zhuǎn)精度、轉(zhuǎn)速、剛性、溫升及噪音等參數(shù)，進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。因此，為了保持優(yōu)秀的機床加工能力，必須配用高性能的軸承。用于機床主軸上的軸承精度應(yīng)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。

圖1. 機床主軸

　　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；因為它是一種點接觸 （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(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。

　　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(yīng)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(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，ISO P5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ISO P4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，我們分別稱為A,B,C軸（見圖6）。

圖6.機床坐標軸

　　數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可用來實現(xiàn)圓周進給運動。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺（簡稱數(shù)控轉(zhuǎn)臺）除了可以實現(xiàn)圓周進給運動之外，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、立銑等機床上。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，起動功率小；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，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(fù)雜，而且成本也比較高。

　　交叉滾子軸承

　　交叉滾子軸承在轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用也比較的普遍。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(shè)計，從而降低了轉(zhuǎn)臺的成本。