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机床设计之家

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机床主轴和转台轴承选型指南,行家必备!  

2014-06-21 12:04:33|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 机床工具行业作为机械装备工业的重要组成部分,在整个国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。据统计,在一般的机器制造中,机床所担负的加工工作量占总制造工作量的40%~60%左右,因而机床业发展水平通常是一个国家工业发展水平的标志。随着现代制造业的日益发展,客户对于工业母机-机床的要求也越来越高。目前,新材料、新工艺、新设备的不断涌现,对机床的加工能力带来了许多的挑战,为了能满足对上述结构件的加工,现代机床正向着“高速、精密、复合、智能化”的方向发展。

  随着我国产业结构升级的深入,机床行业内也显示产业结构升级的趋势,即数控机床比例逐步上升,在数控领域,高端数控机床(如重型机床、智能机床等)所占的比例也不断上升,重型机床产品主要是为国家能源(火电、水电、核电、风力发电)、船舶制造、工程机械、冶金、航天、军工、交通运输(铁路、汽车)等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务,国家重点工程项目为重型机床提供了广阔的市场。

  本文主要介绍如何选择机床中应用于主轴轴承和转台轴承的轴承类型。

  一、主轴轴承

  主轴(见图1)作为机床的关键部件,其性能会直接影响到机床的旋转精度、转速、刚性、温升及噪音等参数,进而会影响工件的加工质量,例如零件的尺寸精度,表面粗糙度等指标。因此,为了保持优秀的机床加工能力,必须配用高性能的轴承。用于机床主轴上的轴承精度应为ISO P5或以上(P5 或P4 是ISO的精度等级,通常从低到高为P0, P6, P5, P4, P2),而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承,则需选用ISO P4或以上的精度;主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承,以及圆柱滚子轴承等类型。

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  图1. 机床主轴

  精密角接触球轴承

  在上述的几种轴承中,以精密角接触球轴承(见图2)的使用最为广泛。我们都知道角接触球轴承的滚动体是球;因为它是一种点接触 (区别于滚子轴承的线接触),所以它能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合,还会采用陶瓷球(一般为Si3N4或者是Al2O3)的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比,陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点,从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。

  就角接触球轴承的接触角而言,目前比较流行的是15?和25?的接触角;通常15?的接触角具有比较高的转速性能,而25?的接触角具有较高的轴向承载能力。由于预载的选择对于精密角接触球轴承应用的影响非常大,例如,在高承载、高刚性的场合,一般会选用中型或重型的轴承预载;而针对一些高转速、高精度的应用场合,我们在轴承的早期选型中,需要注意选择合适的预载,一般轻预载比较常见。预载一般分成轻型、中型、重型三种;为了方便客户的使用,目前世界上的几大轴承制造商都普遍提供预先研磨轴承端面而加预载的轴承,也就是我们通常所说的万能配对精密角接触球轴承形式。该类轴承免去了客户的预载调节,从而节省了安装时间。

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  图2. 精密角接触球轴承

  精密圆锥滚子轴承

  在一些重载且对速度有一定要求的机床应用场合中---如锻件的荒磨、石油管道的车丝机、重型车床和铣床等,选择精密圆锥滚子轴承是一种比较理想的方案。由于圆锥滚子轴承的滚子是线接触的设计,因此它能为主轴提供很高的刚性和承载;另外,圆锥滚子轴承是一种纯滚动的轴承设计,它能很好的降低轴承运转扭矩和发热,从而确保主轴的转速和精度。由于圆锥滚子轴承能够在安装过程中调节轴向预载(游隙),这能让客户在轴承的整个使用周期中更好地优化轴承游隙调节。

  此外,在一些内圈挡边线速度大于30米/秒的高速应用中,某些特殊设计的圆锥滚子轴承也能满足要求,如TSMA轴承或Hydra-Rib液力浮动挡边轴承(见图3)。TSMA轴承的挡边有多个轴向方向的润滑油孔,可采用循环油润滑或油雾润滑,离心力可将油分布到滚子与挡边接触区,从而能更充分地润滑轴承,提高轴承转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承是专为优化主轴系统的预载而设计,轴承有可浮动的挡边,与滚子大端接触,不像常见的轴承有固定内圈挡边;且该浮动挡边由“压力”系统定位,这样就能保证轴承在各个工况条件下都能发挥最优异的性能, 并且已经成功的在国内客户中使用。

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  图3. 带有液力浮动挡边轴承的主轴设计

  对于圆锥滚子轴承的精度选择而言,ISO P5级的轴承主要应用在传统的车床和铣床中;如果是加工中心、磨床等应用,通常会选择ISO P4或以上的精密轴承。在主轴设计中,比较常见的圆锥滚子轴承布局有两种。第一种是前端和后端各采用一个圆锥滚子轴承,并采用面对面的安装方式(见图4);这类设计结构紧凑,刚度高且便于安装和调节。

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  图4. 单列圆锥滚子轴承成对安装

  第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端,而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承(TDO)作为浮动端使用(见图5);由于具有浮动能力,这类设计能很好的承受主轴的轴向热膨胀,且刚度很高,保证了机床的精度。

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  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,双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到,通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列,旋转时波动频率比单列轴承大幅提高,振幅降低60%~70%。此类轴承通常有两种形式:NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边,外圈可分离;NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边,内圈可分离,其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔(锥度1:12),与主轴的锥形轴颈配合,轴向移动内圈,可使内圈胀大,这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承(负游隙状态)。圆柱孔轴承通常采用热装,利用过盈配合减小轴承游隙,或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承,一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工,以提高主轴旋转精度。

  附表一:各类主轴轴承性能比较

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  *单列轴承只在单一方向承受轴向力。

  附表二:轴承精度等级

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  二、转台轴承

  数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候,除了需要X,Y,Z三个坐标轴的直线进给运动外,有时候还需要有绕X,Y,Z三个坐标轴的圆周运动,我们分别称为A,B,C轴(见图6)。

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  图6.机床坐标轴

  数控回转工作台可用来实现圆周进给运动。数控回转工作台(简称数控转台)除了可以实现圆周进给运动之外,还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面,和自动换刀装置配合使用,实现工件一次安装能完成几个面的多种工序,因此,大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别,但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动,所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动,而数控转台实现的是圆周进给运动。

  回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车、立铣等机床上。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外,还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承,作为转台的核心部件,在转台运行过程中,不仅要具有很高的承载能力,还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。在回转工作台设计中,使用的比较多的轴承类型大致分为这么几种:

  推力球轴承+圆柱滚子轴承

  推力球轴承能承受一定的轴向力,所以该轴承主要用于承受工件的重量;而圆柱滚子轴承主要用于径向的定位和承受外部的径向力(例如切削力、铣削力等)。该类设计应用广泛,并且成本也相对比较的低廉。由于推力球是一种点接触的轴承,所以它的轴向承载力相对比较有限,主要用于小型或中型的机床回转工作台中。此外推力球的润滑也比较困难。

  静压轴承+精密圆柱滚子轴承

  静压轴承是一种靠外部供给压力油,在轴承内建立静压承载油膜以实现液体润滑的滑动轴承。液体静压轴承从起动到停止始终在液体润滑下工作,所以没有磨损,使用寿命长,起动功率小;此外,这种轴承还具有旋转精度高,油膜刚度大,能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承具有很好的径向承载力,并且由于采用了精密级的轴承,回转工作台的回转精度也能得到很好地保证。使用该类设计的回转工作台能承受很高的轴向力,有些工件的重量超过200吨以上,转台直径超过10米。但是该类设计也有一些不足之处,由于静压轴承必须附带一套专用的供油系统来供给压力油,维护比较复杂,而且成本也比较高。

  交叉滚子轴承

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  图7. 交叉滚子轴承

  交叉滚子轴承(见图7)在转台上的应用也比较的普遍。交叉滚子轴承的特征是轴承中有两个滚道, 两排交叉排列的滚子。与传统的推力轴承+径向定心轴承组合相比(见图8),交叉滚子轴承结构紧凑, 体积小巧,并简化了工作台设计,从而降低了转台的成本。

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  图8.交叉滚子轴承与传统轴承的转台设计比较

  另外,由于使用了优化的预紧力,该类轴承具有很高的刚度,因而转台的刚度和精度也都得到了保证。得益于两排交叉滚子的设计,轴承的有效跨距能被显着地提高,所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。在交叉滚子轴承中,又分成两种类型:第一种是圆柱交叉滚子轴承,第二种是圆锥交叉滚子轴承。通常,圆柱交叉滚子轴承价格比圆锥交叉滚子轴承低, 适用于转速相对较低的转台应用中;而圆锥交叉滚子轴承采用了圆锥滚子的纯滚动设计,因此该类轴承具有

  ·运转精度高

  ·转速能力高

  ·减少轴长度和加工成本、热膨胀导致几何尺寸的变化有限

  ·尼龙分隔器、转动惯量低、启动扭矩低、易于控制角分度

  ·优化预紧力、刚度高、跳动小

  ·线接触、刚度大、引导滚子运转精度高

  ·渗碳钢提供优良的抗冲击力和表面抗磨能力

  ·简单但润滑充分

  在轴承安装时,客户只需将交叉滚子轴承预紧到推荐的数值,而不必像静压轴承那样有一个复杂的安装调节流程。交叉滚子轴承安装简单,易于调整原有安装形式或维修方法。交叉滚子轴承适用于各种类型的立式或卧式镗床,以及立磨、立车和大型齿轮铣床等应用。

  总而言之,轴承作为机床主轴和转台的核心部件,对机床的运行表现起到了举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承,我们需要综合考虑各种工况条件,例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言,只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点,我们才能发挥出轴承的最佳性能。

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