浅析机床主轴和转台的轴承选择 上海巨鹏轴承有限公司2022-11-14 09:23:37
机床工业作为机械装备工业的重要组成部分，对整个国民经济的发展起着重要的作用。据统计，在一般的机械制造中，机床的加工工作量约占总制造工作量的40 ~ 60，所以机床工业的发展水平通常是一个国家工业发展水平的标志。随着现代制造业的发展，客户对工业机床的要求越来越高。当前，新材料、新工艺、新设备的不断涌现，给机床的加工能力带来了诸多挑战。为了满足上述结构零件的加工要求，现代机床正朝着高速、精密、复合、智能的方向发展。随着我国产业结构升级的深入，机床行业也呈现出产业结构升级的趋势，即数控机床的比重逐渐增加。在数控领域，重型机床、智能机床等高端数控机床的比重也在增加。重型机床主要服务于国家能源和火电、水电、核电、风力发电、造船、工程机械、冶金、航天、军工、交通和铁路、汽车等重大工业支柱产业和国家重点工程。
本文主要介绍如何选择机床主轴轴承和转台轴承所用的轴承类型。
首先，主轴轴承
作为机床的关键部件，主轴的性能将直接影响机床的旋转。
旋转精度、转速、刚度、温升、噪声等参数都会影响工件的加工质量，如零件的尺寸精度、表面粗糙度等。因此，为了保持优良的机床加工能力，必须使用高性能轴承。机床主轴上使用的轴承精度应为ISO P5或以上。P5或P4是ISO的精度等级，通常由低到高依次为P0、P6、P5、P4和P2。对于数控机床、加工中心等高速高精度机床的主轴支撑，应选用ISO P4或以上精度。主轴轴承包括角接触球轴承，圆锥滚子轴承和圆柱滚子轴承。
精密角接触球轴承
在上述轴承中，精密角接触球轴承应用广泛。我们都知道角接触球轴承的滚动体是滚珠；因为是点接触，不同于滚柱轴承的线接触，所以可以提供更高的转速，更低的发热，更高的旋转精度。在一些超高速主轴应用中，将使用带有陶瓷球(通常为Si3N4或Al2O3)的混合轴承。与传统的全淬硬钢球相比，陶瓷球轴承由于自身的特点，具有高刚性、高转速、耐高温、使用寿命长的特点，满足了高端客户对机床轴承的需求。
就角接触球轴承的接触角而言，目前流行15o和25o的接触角。通常接触角为15度具有高转速性能，25o接触角具有高轴向承载能力。因为预紧力的选择对精密角接触球轴承的应用影响很大，例如在高载荷、高刚度的情况下，一般选择中等或较重的轴承预紧力；但是对于一些高速高精度的应用场合，我们在轴承的前期选择中需要注意选择合适的预紧力，一般轻预紧力比较常见。预紧力一般分为轻、中、重三种；为了方便客户，目前国际上几大轴承厂商一般都提供预磨轴承面、预加载的轴承，也就是我们通常所说的通用成对精密角接触球轴承。这种轴承消除了客户的预载荷调整，从而节省了安装时间。
精密圆锥滚子轴承
在一些负荷较大，对速度有一定要求的机床应用中，如锻件的粗磨，输油管线的车丝机，重型车床，铣床等，选择精密圆锥滚子轴承是一种理想的方案。因为圆锥滚子轴承的滚子被设计成线接触，所以它可以为主轴提供高刚度和负载。另外，圆锥滚子轴承是纯滚动轴承设计，可以很好的降低轴承的运行扭矩和热量，从而保证主轴的转速和精度。因为圆锥滚子轴承可以在安装过程中调整轴向预载间隙，这可以使客户在轴承的整个使用寿命期间更好地优化轴承间隙的调整。
此外，在某些内环中，线路速度受阻。
一些特殊设计的圆锥滚子轴承，如TSMA轴承或Hydra-Rib流体动力浮动边缘轴承，也可以满足温度大于30mu002Fs的高速应用中的要求。TSMA轴承的法兰轴向有多个润滑孔，可以用循环油或油雾润滑。离心力可以将油分配到滚子和法兰的接触区域，可以更充分地润滑轴承，提高轴承转速。Hydra-Rib液压浮动法兰轴承是专为优化主轴系统的预紧力而设计的。该轴承有一个浮动法兰，与滚子的大端接触，不同于普通轴承的固定内圈法兰。并且浮动挡边由压力系统定位，使轴承在各种工况下都能发挥最佳性能，并已成功应用于国内客户。对于圆锥滚子轴承的精密选择，ISO P5级轴承主要用于传统的车床和铣床。对于加工中心、磨床和其他应用，通常选择ISO P4或以上的精密轴承。在心轴设计中，有两种常见的圆锥滚子轴承布局。第一种是前端和后端分别采用圆锥滚子轴承，采用面对面安装方式；这种设计结构紧凑，刚性高，安装调整方便。第二种是两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴前端，后端采用双外圈双单内圈的轴承TDO作为浮动端。由于具有浮动能力，这种设计可以很好地承受主轴的轴向热膨胀。
伸缩性好，刚度高，保证了机床的精度。
精密圆柱滚子轴承
在机床主轴的应用中，也会使用双列精密圆柱滚子轴承，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合使用。这种轴承可以承受更大的径向载荷，允许更高的转速。轴承中的两排滚子交叉布置，波动频率比单排轴承大幅增加，幅度降低60-70%。这种轴承通常有两种形式:NN30和NN30K系列轴承，内圈有挡边，外圈可分离；两个系列的轴承，NNU49和NNU49K，具有带挡边的外圈和可分离的内圈。其中NNU49K和NNU49K系列的内圈锥度为1: 12，与主轴锥形轴颈相匹配。通过轴向移动内圈，内圈可以膨胀，从而可以减小轴承游隙，甚至可以预紧轴承的负游隙状态。圆柱孔轴承通常是热配合的，使用过盈配合来减少轴承间隙，或预紧轴承。对于带可分离内圈的NNU49系列轴承，一般在主轴装入内圈后进行滚道精加工，以提高主轴的旋转精度。
二、转台轴承
数控机床常用的转台包括分度台和数控转台。数控机床在加工某些零件时，不仅需要X、Y、Z三个轴的直线进给运动，还需要绕X、Y、Z三个轴的圆周运动，这三个轴我们分别称为A、B、C轴。数控旋转
工作台可以用来实现圆周进给运动。数控转台简称数控转台。除圆周进给运动外，还能完成分度运动。而分度台的作用只是分度工件，改变其表面，它可以与自动换刀装置配合使用，使工件一次安装完成几个表面的多种工序，大大提高了工作效率。数控转台的外观与分度台相差不大，但在结构上有一系列特点。由于数控转台可以实现进给运动，所以在结构上与数控机床的进给驱动机构有许多相似之处。不同的是驱动机构实现直线进给运动，而数控转台实现圆周进给运动。
转台广泛应用于各种数控铣床、镗床、各种立式车床、立式铣床等机床。除了要求转台能很好地承受工件的重量外，还需要保证其在载荷下的回转精度。转台轴承作为转台的核心部件，不仅要有高的承载能力，还要有高的回转精度、高的抗倾覆能力和高的转速。在转台的设计中，使用的轴承种类很多，大致可以分为以下几种:
推力球轴承+圆柱滚子轴承
推力球轴承可以承受一定的轴向力，所以这种轴承主要用来承受工件的重量；圆柱滚子轴承主要用于径向定位，承受切削力、铣削力等径向外力。此类设计应该
应用广泛，成本相对较低。由于推力球是一种点接触轴承，其轴向承载能力相对有限，主要用于中小型机床回转工作台。此外，推力球的润滑也很困难。
静压轴承+精密圆柱滚子轴承
静压轴承是一种依靠外部供给压力油，在轴承内建立静压轴承油膜，实现液体润滑的滑动轴承。静压轴承从启动到停止一直工作在液体润滑下，因此无磨损，使用寿命长，启动功率低。此外，这种轴承还具有旋转精度高、油膜刚度大、抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有良好的径向承载能力，由于采用精密级轴承，转台的回转精度也能得到很好的保证。这种设计的转盘可以承受很大的轴向力。有的工件重达200多吨，转盘直径超过10米。然而，这种设计也有一些缺点。因为静压轴承必须配备专门的供油系统来供应加压油，所以维护复杂且成本高。
交叉滚子轴承也广泛用于转台。交叉滚子轴承的特点是有两个滚道和两排交叉滚子。与传统的推力轴承+径向定心轴承组合相比，交叉滚子轴承结构紧凑，体积小，简化了工作台的设计，从而降低了转台的成本。
此外，由
通过使用优化的预紧力，这种轴承具有较高的刚度，因此转台的刚度和精度也得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计，可以显著增加支座的有效跨度，因此这种支座具有很高的抗倾覆力矩能力。交叉滚子轴承有两种类型:第一种是圆柱交叉滚子轴承，第二种是圆锥交叉滚子轴承。一般圆柱交叉滚子轴承的价格比圆锥交叉滚子轴承低，适合转速相对较低的转盘应用。圆锥交叉滚子轴承采用圆锥滚子的纯滚动设计，因此这种轴承具有:
高运转精度
高转速能力
减少轴长度和加工成本，热膨胀导致几何尺寸变化有限。
Nylon分离器，低转动惯量，低启动扭矩，易于控制角度分度。
优化的预紧力，高刚性和小跳动。
线接触，高刚性，导辊运行精度高。
渗碳钢提供了优异的抗冲击性和表面耐磨性。
简单但完全润滑。
安装轴承时，客户只需将交叉滚子轴承预拧紧至推荐值，而不需要像静压轴承那样复杂的安装和调整过程。交叉滚子轴承易于安装，易于调整原有的安装形式或维修方法。交叉辊