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精密机床主轴系统及其轴承的选用
作者：bearingpower 发表时间：2010-12-12
精密机床的关键部件是进给系统和主轴系统，不同类型的机床主轴，对所选用轴承的精度要求既有相同点，也有不同之处。数控机床和轴承磨床可以归于精密机床一类。现代精密机床和传统机床的结构，从原理上来说，没有太大的变化，主要还是区别于导轨加工技术的改进和主轴系统精度的提高。本文重点研究精密机床的主轴系统及其精密机床主轴轴承的选用。提到机床主轴轴承，人们自然想到的是滚动轴承，因为我们日常生产过程当中见到最多的大都是滚动轴承。实际上，只要是有固定支撑，而且有转动的轴所形成的系统都可以称之为轴承。战国时代的战车轮子是木制的轴系，三国时候的木遛马那是最原始的自动车轴承系统，现今很多精密磨床的滑动轴承也是轴承系统，比如上海机床厂、北京二机床、无锡机床厂和上海日发数字化系统有限公司的外圆磨床主轴系统目前还是动压或动静压轴系。滑动轴承的旋转精度可以达到千分之一毫米的精度，迄今为止，这是滚动轴承结构的轴系不能够比拟的。与上面所述的液压类轴承支撑类似的精密主轴系统还有气动浮起和磁悬浮浮起的主轴系统。尽管滑动轴承可以达到很高的精度，以至于需要更加精密的检验手段才可以得到精确的测量数据，但是由于滑动轴承制造成本很高，维护较为困难，所以目前精密机床特别是加工中心采用最多的还是滚动轴承结构的系统。而选用最多的是配对角接触球轴承。1.精密机床主轴的结构NN30系列（旧型号3182100系列）圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承，径向刚度和承载能力较大，旋转精度高，径向结构紧凑和寿命长，故在主轴组件中广泛应用。不能承受轴向载荷，而需配用推力轴承，制造精度和造价较高。2344系列（旧型号2268000系列）双向推力向心球轴承，与圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承NN30型轴承配套使用，以承受双向轴向载荷。接触角大，钢球直径较小而数量较多，轴承承载能力和精度较高，比普通推力轴承允许的极限转速高出1.5倍，温升低，运转平稳，工作可靠。图一传统的机床，现今的大多数国产重切削机床，比如沈阳第一机床厂的CA6140卧式车床的主轴系统（图一）就是这种组合式的一种变型结构。但是，由于在零件精加工工序，精密机床的工作主要是为了保证加工精度，而不是去完成大的材料去除量，所以精密机床不需要承受较重的负载，加上圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承和双向推力向心球轴承的装配工艺复杂，相关零件调节配磨精度技术要求较高，所以目前大多数精密机床，尤其是精密磨床多采用配对角接触轴承（新型号719、70和72系列结构）（图二）。以7207C型号轴承为例，它的单套轴承（使用时都是成对使用，和双列轴承对比时要成倍计算）的动载荷为30.5kN，静载荷为20kN，脂润滑极限转速2万转/分；而234407BM1型号轴承的动载荷为18.6kN，静载荷为49kN，脂润滑极限转速1万转/分；从数据分析来看，在精密机床上采用高速角接触球轴承是最佳选择。图二2.精密机床主轴系统的旋转精度主轴系统的旋转精度是指机床处于空载手动或机动低速旋转情况下，在主轴前端基准面上测量的径向跳动、断面跳动和轴向窜动的精度。主轴系统的精度主要受以下因素影响[1]1)轴承套圈的沟道径向跳动，将对应使主轴系统主轴轴线产生径向跳动，从而将这些误差部分的复映在被加工表面上。2)轴承滚动体直径不一致和形状误差将会使得主轴产生有规律的误差。3)沟道对端面的侧摆将引起主轴的轴向窜动，主轴的轴向窜动对精密磨床，特别是轴承磨床影响尤其显着，假如工艺上采用支沟磨沟的方式，将使得废品率大幅度提升，噪声也会大幅度提高。4)轴承安装工作面的尺寸和形位误差将使轴承滚道产生相应的变形，使轴承内外圈倾斜，使得轴承在各个方向的刚度不一致，从而会降低主轴系统的旋转精度。调整间隙的螺母、隔套、垫圈端面均需要研磨加工，且与轴系回转轴线的垂直度要和所安装的轴承精度相对应，否则会降低轴承的工作精度。（图三为欧洲SNFA公司的超精密轴承手册关于轴承装配零件的制造公差数据。）图三3.精密机床主轴的调整和预紧保持合理的轴承间隙或进行适当的预紧（负间隙），对主轴系统的工作性能和轴承的寿命有着重要的影响。滚动轴承在较大间隙的情况下工作时，载荷会集中作用于加载方向的局部几个滚动体上，这就使得套圈滚道和滚动体的接触点上产生很大的集中应力，发热量和磨损增大，使用寿命降低，同时也降低了系统的刚度。如果在安装轴承时预先在轴向给它一个等于径向载荷20%~30%的力，使轴承套圈滚道和滚动体之间产生过盈，即给滚动轴承预紧或预加载荷，这时轴承套圈的沟道和滚动体接触面积加大，轴承套圈里的滚动体就会在均匀的受力状态下工作，因此轴承的刚度就会得到增加，寿命也将得到延长。但是，轴承的预加载荷不能够过大，轴承系统的负间隙过大不仅对提高刚度的效果不显著，而且磨损和发热量会大为增加，轴承的使用寿命也显著的降低了。配对角接触球轴承，出厂前厂家都按照预负荷调整好了，每组轴承使用时中间不需要另外添加隔套，因为配对轴承中间添加的隔套一般难以达到轴承本身端面的精度，所以对整个主轴系统来说，隔套的端面精度会破坏轴承的精度。4.精密轴承安装的选配。图三标明了轴承装配的轴颈和壳体对应工作面的形状误差、位置误差和表面粗糙度的理论最大值，但是对精密轴承系统来说，不是轴颈和壳体对应工作面进入了加工公差之内就可以随意安装轴承了。加工面符合了图纸的技术要求，但不一定满足轴承安装的最佳装配要求。在精密机床的轴承装配过程当中，分组装配是完全必要的，尤其是在大批量精密机床生产线上，所有精密轴承和对应的轴颈和壳体，都需要分组装配，最起码要按照工作直径尺寸分组，这样主轴轴承就会达到最佳旋转精度和综合机械性能。不可否认，现在许多进口的万能组合轴承的精度比配对轴承的精度高，但是，即使是采用万能组合轴承，也是需要选配的，在精密机床的装配上，万能组合的概念要让位于按照实际测量的最佳间隙组合的概念。5.精密机床主轴润滑和密封我们注意到，无论是国产轴承手册还是进口轴承手册，采用不同的润滑方式，轴承的极限转速的数据是不同的。润滑剂要按照设计要求及时补充（高速精密主轴系统润滑脂填充量一般为轴承空间的10%~20%），合理的添加润滑剂，可以减少轴系的摩擦和磨损，延长轴承的疲劳寿命，同时可以排出轴承系统的摩擦热并起到冷却轴承系统的作用；除了润滑脂之外，轴承系统的润滑还有液体油润滑、油雾润滑和油气润滑等方式，油气润滑在国外高速主轴系统当中已经普遍采用，油气润滑省油，无污染，并且能够显著提高主轴系统的DN值，并能够智能控制轴系对润滑剂的要求补给量。主轴结构的设计，润滑和密封一定要根据不同情况采用不同的形式。密封磨损了要及时更换，密封唇与旋转体接触处超过15m/s就要采用非接触式密封结构，高速精密机床大多采用迷宫式密封，并需要在适当位置设计甩油沟槽，因为接触式密封不仅会使密封接触处产生摩擦损失和过热，而且会对轴承系统旋转精度产生影响。综上所述，精密机床主轴系统及其轴承的选用不能够简单的延用普通机床主轴轴承的选用方法，现代精密机床技术的提高是综合性的，在设计和生产过程中，全面的研究主轴系统结构，科学的合理的选用主轴轴承是提高精密机床综合精度的关键。[1]：《金属切削机床设计》上海科学技术出版社1985年5月第一版《金属切削机床设计》编写组著。下一篇：轴承常规检查的准备工作
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