机床轴承(车床主轴轴承)金工2017-06-02 20:30:23
作为轴承机床主轴和转盘的核心部件，它对机床的运行性能起着重要的作用 。本文主要阐述主轴轴承和转盘轴承的选择 。
首先，主轴轴承
主轴(见图1)是机床的关键部件，其性能的好坏将直接影响机床的回转精度、转速、刚度、温升、噪声等参数，进而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是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、P2)，而对于数控机床、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 。
图一 。机床主轴
精密角接触球轴承
在上述轴承中，精密角接触球轴承(见图2)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(不同于滚子轴承的线接触)，所以可以提供更高的转速，更低的发热量，更高的旋转精度 。在一些超高速主轴应用中，将使用陶瓷球(一般为Si3N4或Al2O3)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15°和25°的接触角 。通常15°的接触角具有更高的转速性能，而25°的接触角具有更高的轴向承载能力 。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 。
图二 。精密角接触球轴承
精密圆锥滚子轴承
在一些负载较大，对速度有一定要求的机床应用场合，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 。因为圆锥滚子轴承在安装时可以调整轴向预紧力(游隙)，这可以使客户在轴承的整个使用寿命内更好地优化轴承的游隙调整 。
此外，在一些内圈挡线速度大于30m/s的高速应用场合，一些专门设计的圆锥滚子轴承也能满足要求，如TSMA轴承或Hydra-Rib流体动压浮动挡油轴承(见图3) 。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，已在国内客户成功使用 。
图3 。液压浮动边缘轴承主轴的设计
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(见图4)；这种设计结构紧凑，刚性高，安装调整方便 。
图4 。成对安装的单列圆锥滚子轴承
第二种是两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴前端，后端采用一个双外圈和两个单内圈轴承(TDO)作为浮动端(见图5)；这种设计由于具有浮动能力，可以很好的承受主轴的轴向热膨胀，刚度很高，保证了机床的精度 。
图5 。前端单列圆锥滚子轴承成对安装，后端TDO
精密圆柱滚子轴承
在机床主轴的应用中，也会用到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，与单列轴承相比，波动频率大大增加，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；NNU49和NNU49K系列轴承的外圈有挡边，内圈可以分离 。其中，NNU49K和NNU49K系列的内圈为锥孔(锥度1: 12)，与主轴锥形轴颈配合 。通过轴向移动内圈，内圈可以膨胀，从而可以减小轴承间隙，甚至可以预紧轴承(负间隙状态) 。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 。
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