角接觸球軸承隔圈的尺寸控制

黃 波

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

數(shù)控機床對精度輸出要求較高，而主軸作為主要動力輸出源，其性能和輸出精度直接影響了數(shù)控機床的加工精度、旋轉(zhuǎn)速度、承載能力及加工能力等關(guān)鍵參數(shù)，決定了機床的最終產(chǎn)品質(zhì)量。主軸的性能精度絕大部分來自于主軸軸承的裝配質(zhì)量，其裝配質(zhì)量直接影響著主軸的性能精度和使用壽命。而對軸承裝配質(zhì)量影響最大的因素則主要是軸承間的調(diào)整隔圈的尺寸控制。

在高速主軸-軸承系統(tǒng)中，軸承內(nèi)圈與主軸采用過盈配合進行連接。一方面其結(jié)構(gòu)簡單；另一方面可以使得定心精度較高。然而，過盈配合量大小的選取與主軸系統(tǒng)所處的加工工況如主軸轉(zhuǎn)速、切削力、切削速度等有關(guān)，隨著機床主軸加工工況的改變，在離心效應和熱效應等因素的綜合影響下，主軸和軸承內(nèi)圈均會發(fā)生變形，導致二者連接狀態(tài)發(fā)生改變，進一步影響軸系的加工性能。過盈量選取過大往往會使得主軸與軸承的裝配困難，甚至導致二者配合面的損傷。而過盈量選取過小又會造成主軸與軸承的松脫，引起配合面打滑，導致軸系振動、溫升增大等問題。因此，需要對主軸軸承隔圈過盈量的定量選取進行研究。

1 角接觸球軸承安裝型式

角接觸球軸承的安裝型式，主要分為：背對背、面對面和串聯(lián)排列三種（圖1）。從外觀上看，角接觸球軸承的外圈，呈現(xiàn)一邊厚，一邊薄的現(xiàn)象。厚的一邊稱為“背”，而薄的一邊稱為“面”。

圖1 角接觸球軸承的安裝型式

（1）背對背（兩軸承的厚端面相對）：該型式安裝時，軸承的接觸角線呈沿轉(zhuǎn)軸線方向擴散的狀態(tài)，故而增加了軸承的徑向和軸向支承角度剛性，抗變形能力在三種型式中最大。在工作時載荷作用中心處于軸承中心線外，承載力作用點跨距較大，故懸臂端剛性較大，當軸受熱拉伸時，軸承游隙將增大，軸承不易卡死損壞。

（2）面對面（兩軸承的薄端面相對）：該型式安裝時，軸承的接觸角線為朝轉(zhuǎn)軸線方向收縮狀態(tài)，軸承角度剛性較小。因軸承的內(nèi)圈突出于外圈，兩軸承外圈壓緊在一起時，外圈的原始間隙消除，使得軸承的預加載荷增加。載荷作用中心處于軸承中心線之內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡單、便于拆裝，但軸受熱延長時，軸承游隙變小，容易造成軸承卡死，所以對軸承游隙的調(diào)整要求較高。

（3）串聯(lián)排列（兩軸承的厚端面在一個方向）：該形式安裝時，軸承的接觸角線同向且平行，讓兩軸承承擔同一方向的工作載荷。但使用這種安裝型式時，兩對串聯(lián)排列的軸承必須在軸的兩端對置安裝，以此保證安裝的軸向穩(wěn)定性。載荷作用中心處于軸承中心線同一側(cè)；它適合軸向載荷大，需要多個軸承聯(lián)合承擔。

鑒于上述的安裝形式分析，故精密主軸的軸承安裝多采用串聯(lián)排列+背靠背的組合形式，即前、后端各兩套軸承，以串聯(lián)排列形式安裝。前端與后端分別采用兩對串聯(lián)排列形式安裝的軸承，兩組軸承間在主軸上呈背靠背的形式安裝。這樣可使兩軸承分擔同一方向的工作載荷，減輕軸承的承載力，前、后端軸承采用背靠背的形式安裝，主軸軸承的接觸角線沿轉(zhuǎn)軸線方向擴散，可增加軸承的徑向和軸向的支承角度剛性，獲取最大的抗變形能力。

在高精密運轉(zhuǎn)條件下的使用場合中，主軸軸承的安裝均采用軸承預緊。軸承在零游隙甚至于一定程度下的負游隙使用場合運轉(zhuǎn)是最平穩(wěn)的，此時軸承的剛度得到最有效的發(fā)揮，軸承運轉(zhuǎn)時的噪音也最低，所以應盡量保證軸承能在此狀態(tài)之下工作。

兩組角接觸球軸承在呈背靠背形式安裝時，需要在兩組軸承間加裝一組隔圈，為角接觸軸承加隔圈是為了實現(xiàn)軸承施加預緊的一種方法。根本目的在于提高軸承的剛性、另軸承達到理想的游隙，獲得最佳的工作狀態(tài)。通過對軸承中一個套圈的端面進行修磨，或用兩個厚度尺寸不同的隔圈裝配在一對軸承的內(nèi)、外圈間，把軸承緊壓在一起，讓軸承滾珠與滾道緊密接觸，從而滿足最佳使用狀態(tài)或進行調(diào)整預加載荷的獲得最佳狀態(tài)。

軸承的配合安裝、運轉(zhuǎn)時溫度變化引起的變形等因素，軸承在加工時都會預留有一定的正向游隙。為了能在高精密運轉(zhuǎn)條件下的場合使用，在軸承及關(guān)聯(lián)部件配合安裝后，使用一定的措施來進行預緊力干預，對內(nèi)外套圈的位置進行調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)軸承游隙的調(diào)整，使得軸承工作時的游隙值為零或負值，于此保證高精密運轉(zhuǎn)下軸承平穩(wěn)的運轉(zhuǎn)。

2 精密主軸裝配流程及工藝

組裝前先配隔圈，軸承配組后中間夾上隔圈，配好隔圈的尺寸，外隔圈要用15 N以上的力度能推動才最好。為此，隔圈的尺寸在整個裝配中對裝配后的精度其重要的作用。

如圖2所示，隔圈的尺寸包括：內(nèi)、外隔圈的外、內(nèi)徑尺寸，內(nèi)、外隔圈的長度（高度）。

圖2 隔圈的尺寸

2.1 內(nèi)、外隔圈的外、內(nèi)徑尺寸要求

內(nèi)隔圈內(nèi)徑應略大于軸承內(nèi)孔尺寸，約0.02～0.04 mm，過小則不利于安裝，過大則會出現(xiàn)內(nèi)隔圈與軸承的同心度偏差大，因為內(nèi)隔圈在安裝時不便于定位，故需要依靠內(nèi)隔圈內(nèi)徑與軸的外徑形成約束定位。而外隔圈外徑應略小于軸承外徑0.02～0.04 mm，過大則不利于安裝，過小則會出現(xiàn)外隔圈與軸承的同心度偏差大。厚度則各相應的略小于軸承外圈、內(nèi)圈的厚度，控制在0.08～0.10 mm為宜。當隔圈與主軸本體的同心度過大的時候，在主軸轉(zhuǎn)動時，尤其是在高速狀態(tài)下，會產(chǎn)生離心力，造成了動不平衡現(xiàn)象，進而影響了主軸和軸承的旋轉(zhuǎn)精度。在以往的測試驗證中，可以發(fā)現(xiàn)，當隔圈與主軸同心度＞0.05 mm時，用手動轉(zhuǎn)動主軸檢測軸承跳動比隔圈與主軸同心度＜0.05 mm時，軸承旋轉(zhuǎn)跳動值要大0.005 mm～0.015 mm，說明隔圈與軸承不同心，不只是產(chǎn)生離心力的問題，還會因為軸承滾道和軸承滾珠的運動受力支撐受到了影響。所以，對隔圈與主軸的同心度的控制是必要的。

2.2 內(nèi)、外隔圈的長度（高度）要求

合理的預緊量可以獲得最佳的預緊力，以此提高軸承精度，延長軸承使用周期。增加預緊力使?jié)L道和滾珠之間在無外載荷的狀態(tài)下實現(xiàn)緊密貼合，當加載外載荷時，軸承的載荷與預緊載荷累加在一起，在滾珠在滾道上運轉(zhuǎn)時避免了浮動的現(xiàn)象，從而提高軸承的剛度。但過度預緊則會造成軸承滾珠和滾道的接觸應力增大，摩擦力增大，使軸承溫升提高造成軸承損傷，降低軸承使用周期。過小則無法滿足滾珠和滾道的確實緊密貼合，在轉(zhuǎn)動時出現(xiàn)浮動狀態(tài)，產(chǎn)生徑向跳動，影響主軸精度輸出。預加載荷的大小對軸承使用周期及精度輸出影響很大，通過內(nèi)外隔圈厚度差異可以對軸承的預緊力進行調(diào)整[1，2]。據(jù)比對測試，軸承裝配時，采用0.012 mm～0.016 mm過盈量時，使用周期降低40%～50%左右。而當軸承裝配有0.004 mm間隙時，輸出精度顯著下降，有0.008 mm間隙時，輸出精度下降70%。因此，預加載荷的大小合理選擇，尤為重要[3，4]。

在高轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下，宜選用小的預加載荷，低轉(zhuǎn)速工作狀態(tài)下宜選用大的預加載荷。且在選擇預加載荷時，應稍大于或等于軸向工作載荷。

按圖3所示，用百分表分別測出各軸承內(nèi)外圈的高度差值，計算確定內(nèi)外隔圈尺寸數(shù)值，依據(jù)上述的預緊論證，確定最終隔圈的尺寸。

圖3 軸承內(nèi)外圈高度差測量

用調(diào)節(jié)內(nèi)外隔圈的厚度的方法來實現(xiàn)預緊，由于隔圈厚度L1=L+△故角接觸軸承內(nèi)外隔圈之間產(chǎn)生了預緊力，所以內(nèi)外隔圈要求平整，各隔圈的平行度應控制在0.003 mm內(nèi)，并且與內(nèi)外圓中心軸線保證垂直度。否則，將會造成軸承端面承載力不平衡，出現(xiàn)接觸面呈部分懸空狀態(tài)，導致懸空部分軸承滾道受力波動，產(chǎn)生軸承滾珠跳動，影響軸承轉(zhuǎn)動的穩(wěn)定性。且因貼合面不足，鎖緊力不夠，易使軸承出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。

3 結(jié)束語

總之，只有把控以上隔圈的關(guān)鍵尺寸，才能確保隔圈的有效性，才能使得整個角接觸軸承單元的裝配精度得到保障。除了要嚴格按照安裝要求進行以外，主軸軸承安裝完成后應進行運轉(zhuǎn)驗證，在空載狀態(tài)下采用200 r/min～300 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)24 h，觀測噪音、振動及溫升狀態(tài)，如出現(xiàn)異常應停止運轉(zhuǎn)并進行檢查。運轉(zhuǎn)驗正無問題后方可交付使用。總之，做好安裝前的準備工作、安裝后的驗證工作以及后期的維護保養(yǎng)，這樣可以有效延長角接觸球軸承的使用壽命。