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，在一般的機器制造中，機床所擔負的加工工作量占總制造工作量的40%～60%左右，因而機床業發展水平通常是一個國家工業發展水平的標志。隨著現代制造業的日益發展，客戶對于工業母機-機床的要求也越來越高。目前，新材料、新工藝、新設備的不斷涌現，對機床的加工能力帶來了許多的挑戰，為了能滿足對上述結構件的加工，現代機床正向著“高速、精密、復合、智能化”的方向發展。
隨著我國產業結構升級的深入，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，在數控領域，高端數控機床（如重型機床、智能機床等）所占的比例也不斷上升，重型機床產品主要是為國家能源（火電、水電、核電、風力發電）、船舶制造、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供了廣闊的市場。
那么，如何選擇機床中應用于主軸軸承呢？
一、主軸軸承
主軸（見圖1）作為機床的關鍵部件，其性能會直接影響到機床的旋轉精度、轉速、剛性、溫升及噪音等參數，進而會影響工件的加工質量，例如零件的尺寸精度，表面粗糙度等指標。因此，為了保持優秀的機床加工能力，必須配用高性能的軸承。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 （區別于滾子軸承的線接觸），所以它能提供更高的轉速、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、高轉速、耐高溫、壽命長的特點，從而滿足高端客戶對機床軸承產品的需求。
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，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載；而針對一些高轉速、高精度的應用場合，我們在軸承的早期選型中，需要注意選擇合適的預載，一般輕預載比較常見。預載一般分成輕型、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先研磨軸承端面而加預載的軸承，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。由于圓錐滾子軸承能夠在安裝過程中調節軸向預載（游隙），這能讓客戶在軸承的整個使用周期中更好地優化軸承游隙調節。
此外，在一些內圈擋邊線速度大于30米/秒的高速應用中，某些特殊設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，從而能更充分地潤滑軸承，提高軸承轉速。而Hydra-Rib液力浮動擋邊軸承是專為優化主軸系統的預載而設計，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圈擋邊；且該浮動擋邊由“壓力”系統定位，這樣就能保證軸承在各個工況條件下都能發揮最優異的性能, 并且已經成功的在國內客戶中使用。
圖3. 帶有液力浮動擋邊軸承的主軸設計
對于圓錐滾子軸承的精度選擇而言，ISO P5級的軸承主要應用在傳統的車床和銑床中；如果是加工中心、磨床等應用，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）；這類設計結構緊湊，剛度高且便于安裝和調節。
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60%~70％。此類軸承通常有兩種形式：NN30、NN30K兩個系列軸承內圈帶擋邊，外圈可分離；NNU49、NNU49K兩個系列軸承外圈帶擋邊，內圈可分離，其中NN30K和NNU49K系列內圈為錐孔（錐度1：12），與主軸的錐形軸頸配合，軸向移動內圈，可使內圈脹大，這樣軸承游隙可以被減小甚至預緊軸承（負游隙狀態）。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。對內圈可分離的NNU49系列軸承，一般在內圈裝上主軸后再對滾道精加工，以提高主軸旋轉精度。
網友評論 >>查看更多評論