機(jī)床設(shè)計(jì)中軸承的選用技巧

李琴蘭

（天水師范學(xué)院工學(xué)院，甘肅天水741001）

軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤滑和冷卻都直接影響主軸組件的工作性能。主軸的回轉(zhuǎn)精度在很大程度上由軸承所決定。試驗(yàn)證明，軸承的變形量占主軸組件總變形量的30%～50%。軸承的發(fā)熱也是主軸組件或變速箱的重要熱源。因此，正確選用主軸軸承是機(jī)床主軸組件配置的重要內(nèi)容之一。機(jī)床上常用的主軸軸承有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承兩大類。

1 主軸滾動(dòng)軸承

1.1 滾動(dòng)軸承的類型

滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤滑維護(hù)簡單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍內(nèi)穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購維修方便。但與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對(duì)轉(zhuǎn)速有很大的限制。加工中心主軸組件在可能的條件下，盡量使用滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠做軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)用滾動(dòng)軸承可以用潤滑脂潤滑以避免漏油。滾動(dòng)軸承根據(jù)滾動(dòng)體的結(jié)構(gòu)分為球軸承、圓柱滾子軸承、圓錐滾子軸承三大類。

為了實(shí)現(xiàn)加工中心主軸轉(zhuǎn)速的超高速，選用陶瓷軸承。陶瓷軸承是指軸承滾動(dòng)體是用陶瓷材料制成，而內(nèi)外圈則仍用軸承鋼制造。陶瓷軸承為高密度熱壓氮化硅（Si3N4）。之所以選用陶瓷作為滾動(dòng)體，主要是因?yàn)樗哂幸韵绿匦裕阂皇侵亓枯p，是軸承鋼的40%；二是熱膨脹系數(shù)小，是軸承鋼的25%。三是彈性模量大，為軸承鋼的1.5倍。所以它具有離心力小，動(dòng)摩擦力小，預(yù)緊力穩(wěn)定，彈性變形小，剛度高的特點(diǎn)。轉(zhuǎn)速越高，則由滾動(dòng)體引起的離心力和慣性滑移隨之增高。采用陶瓷滾動(dòng)體，可大大減小離心力和慣性滑移，有利于進(jìn)一步提高主軸轉(zhuǎn)速，其主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)50000r/min。目前還存在價(jià)格昂貴和有關(guān)壽命、可靠性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)尚不充分等問題，還需要進(jìn)一步試驗(yàn)和完善。但是，陶瓷軸承的優(yōu)越性是不容置疑的，而且已經(jīng)用于加工中心上。

1.2 主軸軸承的合理布置

1.2.1 兩支承主軸軸承的配置形式

主軸軸承的選擇和配置形式主要根據(jù)主軸組件的工作任務(wù)及結(jié)構(gòu)特性來決定，同時(shí)還必須兼顧制造廠家長期使用某種類型軸承所積累的經(jīng)驗(yàn)及軸承的的供應(yīng)條件靈活決定。

機(jī)床主軸有前、后2個(gè)支承和前、中、后3個(gè)支承兩種，以前者較為多見。兩支承主軸軸承的配置形式，包括主軸軸承的選型，組合以及布置，主要根據(jù)對(duì)所設(shè)計(jì)主軸組件在轉(zhuǎn)速、承載能力、剛度以及精度等方面的要求。

在確定兩支承主軸軸承配置形式時(shí)應(yīng)遵循以下一般原則：

（1）適應(yīng)剛度和承載能力的要求：主軸軸承配置形式的選擇首先應(yīng)滿足所要求的剛度和承載能力。支承中有多個(gè)軸承的比只有一個(gè)軸承的剛度高。由于提高前支承的剛度能有效提高主軸組件的剛度，故提高剛度的軸承應(yīng)配置在前支承。

（2）適應(yīng)轉(zhuǎn)速要求：不同型號(hào)、規(guī)格和精度等級(jí)的軸承所允許的最高轉(zhuǎn)速是不同的。在相同條件下，點(diǎn)接觸的比線接觸的高；圓柱滾子比圓錐滾子高。因此，應(yīng)綜合考慮對(duì)主軸組件剛度和轉(zhuǎn)速兩方面的要求來選擇軸承配置形式。

（3）適應(yīng)精度的要求：主軸組件承受軸向力的推力軸承配置形式直接影響主軸的軸向位置精度。前端定位時(shí)，主軸受熱變形向后延伸，不影響加工精度，但前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整軸承間隙不方便，前支承處發(fā)熱量大。后端定位的特點(diǎn)與上述相反。兩端定位時(shí)，主軸受熱伸長時(shí)軸承軸向間隙的改變較大。

1.2.2 三支承主軸組件

某些機(jī)床由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的原因，導(dǎo)致主軸箱長度較長，其主軸兩個(gè)支承之間的支承跨距遠(yuǎn)大于最佳跨距，此時(shí)，應(yīng)考慮增設(shè)中間支承來提高主軸組件的剛度和抗振性。

由于制造工藝上的限制，要使箱體中三個(gè)主軸支承座孔中心完全同軸不可能。為了保證主軸組件的剛度和旋轉(zhuǎn)精度，通常只有兩個(gè)支承起主要作用，而另一個(gè)支承起輔助作用，輔助支承常采用剛度和承載能力較小的軸承，其外圈與支承座孔的配合比主要支承松1～2級(jí)，保證有一定的間隙，以解決三孔不同軸的問題。

1.3 主軸滾動(dòng)軸承的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1.3.1 主軸滾動(dòng)軸承的剛度和承載能力

滾動(dòng)軸承的剛度主要取決于滾動(dòng)體與滾道之間的接觸剛度。一般情況下，線接觸的圓柱滾子軸承要比點(diǎn)接觸的球軸承好。滾動(dòng)軸承的剛度與軸承類型、載荷和預(yù)緊情況有關(guān)，且隨著載荷的增大呈非線性特性。

軸承的滾動(dòng)體與滾道之間是接觸變形。軸承在零間隙的變形和剛度可按下列公式計(jì)算［1］。

（1）點(diǎn)接觸軸承

（2）線接觸的滾子軸承，徑向和軸向變形的計(jì)算公式

式中δr、δa——徑向和軸向變形，μm

Qr、Qa——一個(gè)滾動(dòng)體的徑向和軸向載荷，N

α——接觸角

Kr、Ka——徑向和軸向剛度，N／μm

la——滾子有效長度

Fr、Fa——軸承的徑向和軸向載荷，N

由以上計(jì)算公式可以看出，軸承的載荷和變形之間的關(guān)系是非線性的，不服從虎克定律。軸承的剛度，不是一個(gè)定值，而是載荷的函數(shù)。載荷越大，剛度也越大。載荷對(duì)剛度影響，點(diǎn)接觸的球軸承與線接觸的滾子軸承有所不同。球軸承的剛度與載荷的1／3次冪成正比，而滾子軸承的剛度與載荷的0.1次冪成正比，故球軸承載荷對(duì)剛度的影響比滾子軸承對(duì)剛度的影響大。所以，對(duì)球軸承在計(jì)算載荷時(shí)應(yīng)考慮預(yù)緊力。

在實(shí)際計(jì)算中，總希望有一個(gè)剛度值供參考。在外載荷無法確定時(shí)，計(jì)算中常取軸承額定載荷的1／10作為軸承的載荷。

主軸組件軸向載荷太大時(shí)，應(yīng)選用推力球軸承或推力角接觸球軸承；軸向載荷較小，轉(zhuǎn)速較高時(shí)，可選用角接觸球軸承，以合理分配主軸的軸向載荷，保證軸向剛度。

1.3.2 主軸常用滾動(dòng)軸承的公差等級(jí)及配合

普通精度的滾動(dòng)軸承可滿足一般機(jī)床對(duì)支承精度的要求，但為了滿足精密機(jī)床、高速機(jī)床等要求的工作精度和運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性時(shí)，就需采用高精度軸承。軸承的精度等級(jí)確定后，就可根據(jù)軸承精度等級(jí)和軸承的類型選取推薦的配合。

1.3.3 軸承間隙的調(diào)整和預(yù)緊

合理的軸承間隙或適當(dāng)?shù)念A(yù)緊（負(fù)間隙）對(duì)主軸組件的工作性能和軸承的壽命有重要的影響。除了某些特制的軸承制造時(shí)已保證了要求的間隙量以外，一般主軸組件都應(yīng)當(dāng)在結(jié)構(gòu)上保證能調(diào)整軸承的間隙。機(jī)床上調(diào)整軸承間隙常用擰緊螺母或修磨墊片的方法。

通常滾柱軸承比球軸承允許的預(yù)加載荷要小一些。軸承精度越高，達(dá)到同樣剛度所需的預(yù)加載荷越小。轉(zhuǎn)速越高，軸承精度越低，正常工作所要求的間隙越大。

1.3.4 主軸軸承的潤滑

潤滑對(duì)主軸組件的工作性能與軸承的壽命有很大的影響。潤滑不合理可能引起發(fā)熱量增加，降低主軸工作精度，并加速軸承磨損。

用于滾動(dòng)軸承的潤滑劑可分為兩類，即油脂潤滑劑和液體潤滑劑。滾動(dòng)軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、容許溫度及軸承類型有關(guān)。由于軸承的溫升通常與軸承的速度因素（dn值或dmn）成正比，故?？砂摧S承的dn值或dmn選擇潤滑方式［2］。

1.3.5 主軸滾動(dòng)軸承的密封

滾動(dòng)軸承密封裝置的作用在于防止冷卻液、切屑、灰塵、雜物等進(jìn)入軸承，并使?jié)櫥瑒o泄漏地保持在軸承內(nèi)，從而充分發(fā)揮軸承的性能，確保軸承的使用壽命。對(duì)主軸組件密封裝置的要求是：

（1）適應(yīng)主軸的轉(zhuǎn)速：在一定溫度和壓力范圍內(nèi)具有良好的密封性能。密封部位的摩擦力應(yīng)盡量小。

（2）適應(yīng)工作環(huán)境：耐腐蝕、密封性能好。磨損后能作一定程度的自動(dòng)補(bǔ)償。

（3）結(jié)構(gòu)緊湊：主軸前軸承密封裝置的軸向尺寸小，以適應(yīng)主軸前端的懸伸量，維修方便。

主軸軸承的密封分接觸式和非接觸式密封。前者又可分為徑向密封圈密封和毛氈圈密封，因?yàn)檫@種密封存在摩擦磨損，發(fā)熱嚴(yán)重，一般適用于低速主軸。非接觸式密封可分為間隙式密封、曲路式密封和墊圈式密封，為保證密封作用，旋轉(zhuǎn)部分與固定部分的徑向間隙應(yīng)小于0.2～0.3mm，在密封處應(yīng)有回油孔，以防漏油。這種密封發(fā)熱少，應(yīng)用廣泛。

2 主軸滑動(dòng)軸承

滑動(dòng)軸承因具有良好的抗振性、旋轉(zhuǎn)精度高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)等特點(diǎn)，應(yīng)用于高速或低速的精密、高精度數(shù)控機(jī)床。

主軸滑動(dòng)軸承按產(chǎn)生油膜的方式，可以分為動(dòng)壓軸承和靜壓軸承兩大類。按照流體介質(zhì)不同可分為液體滑動(dòng)軸承和氣體滑動(dòng)軸承。

2.1 液體動(dòng)壓軸承

動(dòng)壓軸承是靠主軸以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時(shí)帶著潤滑油從間隙大處向間隙小處流動(dòng)，形成壓力油膜而將主軸浮起，并支承載荷。軸承中只產(chǎn)生一個(gè)壓力油膜的叫單油楔動(dòng)壓軸承。當(dāng)載荷、轉(zhuǎn)速等工作條件變化時(shí)，單油楔動(dòng)壓軸承的油膜厚度和位置也隨著變化，使軸心線浮動(dòng)而降低了旋轉(zhuǎn)精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。多油膜軸承因有幾個(gè)獨(dú)立油膜，形成的油膜壓力在幾個(gè)方向支承軸頸，軸心位置穩(wěn)定性好，抗振性和抗沖擊性能好。

當(dāng)主軸以一定的速度旋轉(zhuǎn)時(shí)，在軸頸周圍能形成幾個(gè)壓力油楔，把軸頸推向中央，因而主軸的向心性好。當(dāng)主軸受到外載荷時(shí)，軸頸稍有偏心，承載的油隙間隙減小而壓力升高，相對(duì)方向的油隙間隙增大而壓力降低，形成了新的平衡。此時(shí)承載方向的油膜壓力將比普通單油楔軸承的壓力高，油膜壓力愈高和油膜越薄，則其剛度越大。故多油楔軸承能滿足主軸組件的要求。油膜的承載能力與工作狀況有關(guān)，如速度、潤滑油的黏度、油楔結(jié)構(gòu)等。轉(zhuǎn)速越高，間隙越小，油膜的承載能力越大。

動(dòng)壓滑動(dòng)軸承必須在一定的運(yùn)轉(zhuǎn)速度下才能產(chǎn)生壓力油膜。因此，不適用于低速或轉(zhuǎn)速范圍變化較大而下限轉(zhuǎn)速過低的主軸。因此，一般不宜在加工中心主軸組件中使用。

2.2 液體靜壓軸承

液體靜壓軸承由一套專用供油系統(tǒng)、節(jié)流器和軸承三部分組成。靜壓軸承由供油系統(tǒng)供給一定壓力油，輸進(jìn)軸和軸承的間隙中，利用油的靜壓力支承載荷，軸頸始終浮在壓力油中。所以，軸承油膜壓強(qiáng)與主軸轉(zhuǎn)速無關(guān)，承載能力不隨轉(zhuǎn)速而變化。靜壓軸承與動(dòng)壓軸承相比有如下優(yōu)點(diǎn)：承載能力高、旋轉(zhuǎn)精度高、油膜有均化誤差的作用、可提高加工精度，抗振性好，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，既能在極低速下工作，也能在極高轉(zhuǎn)速下工作，摩擦小，軸承壽命長。

靜壓軸承主要的缺點(diǎn)是需要一套專用供油設(shè)備，軸承制造工藝復(fù)雜、成本高。

2.3 氣體靜壓軸承

用空氣作為介質(zhì)的靜壓軸承稱為氣體靜壓軸承，也稱為氣浮軸承或空氣軸承，其工作原理與液體靜壓軸承相同。由于空氣的黏度比液體小得多，摩擦小，功率損耗小，能在極高轉(zhuǎn)速或極低溫度下工作，震動(dòng)、噪聲特別小，旋轉(zhuǎn)精度高，壽命長，基本上不需要維護(hù)，用于高速、超高速、高精度數(shù)控機(jī)床主軸組件中。

2.4 磁力軸承

磁力軸承是一種新型的高性能軸承，具有各種傳統(tǒng)軸承無法相比的特殊性能。磁力軸承不與軸頸表面接觸，不存在機(jī)械摩擦和磨損，不需要潤滑和密封，溫升低，熱變形小，轉(zhuǎn)速高，壽命長，能耗低；磁力軸承基本電磁力反饋控制系統(tǒng)保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度，剛度和阻尼可調(diào)控，可消除轉(zhuǎn)子質(zhì)量不平衡引起的振動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)高速回轉(zhuǎn)下自平衡，回轉(zhuǎn)特性可由傳感器和控制系統(tǒng)獲得，便于狀態(tài)監(jiān)控和診斷。磁力軸承主要用在加工中心的主軸組件中。

[1]夏田.數(shù)控加工中心設(shè)計(jì)[M].化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊編委會(huì).現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（上冊）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.