滾珠絲杠用60°角接觸球軸承支撐結(jié)構(gòu)分析

宗 華

（阜新天源鋼球制造有限公司， 遼寧 阜新 123002）

0 引言

滾珠絲杠是一種對精度有著較高要求的驅(qū)動部件，當它在運行時，剛度的高低對驅(qū)動精度有著較大影響。為了與數(shù)控機床高剛度、高精度的生產(chǎn)模式相互契合，必須選用剛度高、精度大的球螺桿副，并選用剛度高、精度大、摩擦力矩小的軸承。滾珠絲杠所承受的載荷主要是軸向載荷，而徑向負荷則是螺桿自身質(zhì)量，因此，必須采用高剛度、高精度的60°大推力角接觸球軸承來用于滾珠絲杠固定端的支撐，該類型軸承具有高剛度、低扭矩、高精度和高軸向負荷能力等優(yōu)點，特別適用于滾珠絲杠的緊固端部支撐。所以，對其支撐結(jié)構(gòu)進行分析有一定的意義。

1 60°角接觸球軸承工作原理

如圖1 所示，為60°角接觸球軸承的接觸角示意圖，其接觸角α 的大小與滾珠的數(shù)量以及滾珠所受到的載荷Fa有關(guān)，具體的關(guān)系是：接觸角的正弦值與滾珠數(shù)目及滾珠載荷之間的乘積就等于軸承所受的軸向載荷[1]。在相同的載荷下，珠子的數(shù)量和接觸角都會增大，因此軸向負荷會隨之變大；在相同的軸向負荷下，隨著接觸角的增大，單珠子所受的負荷將會降低，這同時也就降低了軸承的彈性變形量，相應的增加了軸承的整體剛度，使其使用壽命有所增長。

圖1 角接觸球軸承的接觸角示意圖

常規(guī)的角接觸球軸承，其接觸角一般是15°～40°，主要起到承擔徑向載荷的功能，而60°角接觸球軸承，其軸流式強度一般是常規(guī)角球軸承的2 倍。相比于普通的角接觸軸承，60°角接觸球軸承的滾珠數(shù)量有所增加，如果滾珠數(shù)量超過了深溝滾子軸承，增加了負荷力，但由于滾珠直徑也隨之減小，同時軸承類型的起動轉(zhuǎn)矩也減小，其摩擦力矩比圓錐滾子軸承小，因此即使憑借著較小的傳動功率，也能夠達到很大的旋轉(zhuǎn)精度，并能在高轉(zhuǎn)速下依然可以保持穩(wěn)定[2]。60°角接觸球軸承結(jié)構(gòu)不可分離，采用TN玻璃纖維增強的尼龍66 保持架，質(zhì)量輕的同時又可以保持較好的工藝性，自帶潤滑效果好，產(chǎn)品規(guī)格有7602 和7603 系 列，如760201TN1～760226TN 1、760304TN1～760326TN1 等。

2 角接觸球軸承組配方式分析

由于單獨的角接觸球軸承通常只接受一個方向的軸流式載荷，因此，它需要與另一個角接觸球軸承結(jié)合，這是一個可以接受兩個方向的軸向和徑向載荷的組合。其中，角接觸球軸承主要有三種組合：背對背組合、面對面組合以及串聯(lián)（同方向）式組合，如圖2所示。

圖2 角接觸球軸承組配方式

1）背對背組合（DB）：這個復合結(jié)構(gòu)的承載方式是向外側(cè)擴展的，有效支點的寬度會得到進一步的擴大，不但可以實現(xiàn)對軸向載荷的承載，徑向載荷也不例外，抗傾特性優(yōu)異。

2）面對面組合（DF）：該組合結(jié)構(gòu)的力作用線向內(nèi)收斂，軸承之間的有效支點間距變小。它可以承受兩個不同方向的軸向和徑向載荷，但其抗傾斜能力較差，并會降低軸承的極限轉(zhuǎn)速。它通常適用于需要精確對中的場合。

3）串列式組合（DT）：該組合力線是平行的，只能承受一個方向的軸向和徑向載荷。如果有相反的軸向載荷，就必須由另一組相對的固定端支撐來完成?？紤]到其安裝方位的固定，因而角接觸球軸承的方向也是不變的，在組裝過程中，為防止組裝時發(fā)生倒置，其外環(huán)上壓印有“V”型標志，經(jīng)配合后若形成“V”字型，則表示其布置是正確的。

3 滾珠絲桿傳動機構(gòu)固定端支撐

滾珠絲桿傳動機構(gòu)的固定端也叫作靜止端，一般使用BK 系列（正方形），其型號可劃分為BK10～BK40，如圖3 所示，為典型的固定端支撐單元結(jié)構(gòu)。軸承是以60°角接觸球軸承為基礎(chǔ)，其固定端由一組裝配方式構(gòu)成，軸承經(jīng)過預壓縮，可確保軸向零間隙和高剛度，并能在軸向和徑向上分別承擔約束和負載，外環(huán)和內(nèi)環(huán)的軸向間隙可調(diào)節(jié)，外環(huán)、內(nèi)環(huán)通過軸承蓋和鎖緊螺栓進行壓力調(diào)節(jié)，以調(diào)節(jié)預緊力，改善軸承剛度。通常情況下，滾珠絲杠的驅(qū)動機構(gòu)是以其固定端為傳動軸，并以此為參考，通過此傳動端計算出其大小和誤差。在固定端的軸承中預先加載油脂，使其外徑和孔公差分別為H5 和H6。

圖3 固定端支撐結(jié)構(gòu)

固定端鎖定螺帽用于軸向固定軸承和絲桿，以增加軸承剛度，同時特別設(shè)計了緊固螺絲和防護墊圈（銅板），該緊固螺絲由防護墊圈緊緊地壓在球形絲桿上，使其不會出現(xiàn)任何松動。采用鉻鋼制成的鎖緊螺帽，經(jīng)過調(diào)質(zhì)、熱處理，其硬度（HRC）為38～42，鎖定螺帽的端面與支座的端面緊密配合，經(jīng)過研磨后，使其平面度和垂直度的精度都能達到0.01 mm。除60°角接觸球軸承外，固定端支架還可選擇圓錐滾子軸承、雙向推力角接觸球、圓錐滾子軸承和深溝球軸承、推力球軸承和深槽球軸承、止推滾子軸承和滾針軸承等軸承組合，但要數(shù)60°角接觸球軸承的支撐效果最好。

4 滾珠絲杠用60°角接觸球軸承選型與壽命計算

4.1 軸承選型

從有關(guān)滾珠絲杠的設(shè)計計算可知，南京工藝設(shè)備制造有限公司生產(chǎn)的滾珠絲杠是目前市面上使用最多的滾珠絲杠，它的特殊性能包括浮式內(nèi)循環(huán)、預緊雙螺帽襯套、直筒球螺桿。滾珠絲杠具有40 mm 的內(nèi)徑，滾珠絲杠的軸系系統(tǒng)配有兩個固定支撐機構(gòu)。滾珠絲杠60°角接觸球軸承使用60°角觸點球形推力球軸承一對。由于滾珠絲桿的直徑小于34.9 mm，所以選擇了30 mm 的內(nèi)徑。最后，根據(jù)查閱60°接觸球的有關(guān)數(shù)據(jù)，確定了其最終型號為7602030 角接觸球軸承。

4.2 軸承壽命計算

在對軸承壽命進行計算時，60°推力角接觸球與普通軸承的使用壽命計算過程基本一致，首先應該確定接觸球軸承的當量動載荷P=fp（XFr+YFa）[3]，其中fp為載荷系數(shù)，軸承的軸向載荷Fa為2 274 N，徑向載荷Fr為1 000 N，其中X 和Y 為等效動載荷系數(shù)，根據(jù)Fa/Fr的比值進行對比，具體的情況如表1 所示。

表1 當量動負荷因數(shù)

從上文可知，F(xiàn)a/Fr=2 274/1 000=2.274，由于Fa/Fr＞2.17，兩個60°角接觸推力球軸承用于背對背（DB）匹配，X=0.92，Y=1 可通過參考表2 獲得，最終取fp=1.1，所以當量動載荷P=1.1×（0.92×1 000 N+1×2 274 N）=3 832.8 N。通過動載荷能夠得出（其中n 為轉(zhuǎn)速，取60 r/min；[Lh]為壽命，取2 400；e 取3；fT為系數(shù)，取1），在實際情況下，軸承的動載荷C 為16 944.19 N。得到了軸承的動載荷后，出于嚴謹性還應繼續(xù)對所計算出的軸承動載荷進行校核，參考60°角接觸球軸承的相關(guān)說明，可以看出7602030 角接觸球軸承的額定動載荷Cr為26 000 N，相應的靜態(tài)負載C0r=56 000 N，因為其額定動態(tài)負載Cr=26 000 N，比計算的實際動態(tài)負載C=16 944.19 N。因此，可以認為使用7602030 型角接觸球軸承具有足夠的承載能力。

依據(jù)以往的滾珠絲杠設(shè)計和計算過程，得出角接觸軸承所能承載的極限軸向載荷FB，max可達7 024 N，而角接觸軸承所承受的實際預載不低于其極限軸向負載的1/3，即2 341.4 N，根據(jù)有關(guān)說明書，7602030 角接觸球軸承的預加力為2 900 N，所以，角接觸球軸承的預加力要比實際的預加力大，采用7602030 型60°角接觸軸承來作為滾珠絲杠的支撐結(jié)構(gòu)就顯得十分合理。經(jīng)過預壓處理后，軸承的軸向間隙基本消失，具備較高的剛度和承載能力。

5 結(jié)語

為了適應高精度、高剛度的數(shù)控機床進給系統(tǒng)，必須使用具有高軸向剛度、低摩擦扭矩和高速的軸承。針對上述問題，本文主要對滾珠絲杠用60°角接觸軸承的支撐結(jié)構(gòu)進行了分析研究。首先對該類型軸承的工作原理進行了簡要闡述，分析了其具體的組配方式。然后對滾珠絲杠傳動機構(gòu)固定端展開了介紹，并最終進行了角接觸軸承的選型及壽命計算，選定軸承型號為7602030 型，其具有較高剛度和承載力，符合生產(chǎn)要求。