機床主軸和轉(zhuǎn)臺軸承的選型 - 加工中心
在機械產(chǎn)品中，軸承屬于高精度產(chǎn)品，不僅需要數(shù)學(xué)、物理等諸多學(xué)科理論的綜合支持，而且需要材料科學(xué)、熱處理技術(shù)、精密加工和測量技術(shù)、精工技術(shù)和有效的數(shù)值方法及計算機技術(shù)等諸多學(xué)科為之服務(wù)。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。 一、主軸軸承的選型 用于機床主軸上的軸承精度應(yīng)為ISOP5或以上(P5或P4是ISO的精度等級，通常從低到高為(P0、P6、P5、P4、P2)，而對于精工機床、加工中心等高速、高精密機床的主軸支承，則需選用ISOP4或以上的精度。主軸軸承包括角接觸球軸承、圓錐滾子軸承，以及圓柱滾子軸承等類型。 1、精密角接觸球軸承 精密角接觸球軸承的使用廣泛，角接觸球軸承的滾動體是球，因為它是一種點接觸(區(qū)別于滾子軸承的線接觸)，所以能提供更高的轉(zhuǎn)速、更小的發(fā)熱量和更高的旋轉(zhuǎn)精度。在一些超高速的主軸應(yīng)用場合，還會采用陶瓷球(一般為si3N4或者是Al203)的混合型軸承。金屬加工記者認為與傳統(tǒng)的全淬透鋼球相比，陶瓷球材料自身的特點賦予了陶瓷球軸承具有高剛度、高轉(zhuǎn)速、耐高溫、壽命長的特點，從而滿足高端客戶對機床軸承產(chǎn)品的需求。 2、精密圓柱滾子軸承 在機床主軸的應(yīng)用中，雙列精密圓柱滾子軸承也會被使用到，通常與精密角接觸球軸承或推力軸承組合應(yīng)用。此類軸承能承受較大的徑向載荷并允許有較高的轉(zhuǎn)速。金屬加工在線軸承中的兩列滾子以交叉方式排列，旋轉(zhuǎn)時波動頻率比單列軸承大幅提高，振幅降低60%-70%。此類軸承通常有兩種形式：NN30、NN30K兩個系列軸承內(nèi)圈帶擋邊，外圈可分離;NNU49、NNU49K兩個系列軸承外圈帶擋邊，內(nèi)圈可分離，其中NN30K和NNU49K系列內(nèi)圈為錐孔(錐度1：12)，與主軸的錐形軸頸配合，軸向移動內(nèi)圈，可使內(nèi)圈脹大，這樣軸承游隙可以被減小甚至預(yù)緊軸承(負游隙狀態(tài))。圓柱孔軸承通常采用熱裝，利用過盈配合減小軸承游隙，或者預(yù)緊軸承。對內(nèi)圈可分離的NNU49系列軸承，一般在內(nèi)圈裝上主軸后再對滾道精加工，以提高主軸旋轉(zhuǎn)精度。 3、精密圓錐滾子軸承 在一些重載且對速度有一定要求的機床應(yīng)用場合中，如鍛件的荒磨、石油管道的車絲機、重型車床和銑床等，選擇精密圓錐滾子軸承是一種比較理想的方案。由于圓錐滾子軸承的滾子是線接觸的設(shè)計，因此它能為主軸提供很高的剛性和承載;另外，圓錐滾子軸承是一種純滾動的軸承設(shè)計，它能很好地降低軸承運轉(zhuǎn)扭矩和發(fā)熱，從而確保主軸的轉(zhuǎn)速和精度。由于圓錐滾子軸承能夠在安裝過程中調(diào)節(jié)軸向預(yù)載(游隙)，這能讓客戶在軸承的整個使用周期中更好地優(yōu)化軸承游隙調(diào)節(jié)。 二、轉(zhuǎn)臺軸承的選型 精工機床中常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和精工回轉(zhuǎn)工作臺。精工機床在加工某些零件的時候，除了需要X、Y、Z三個坐標軸的直線進給運動外，有時候還需要有繞X、Y、Z三個坐標軸的圓周運動，分別稱為A、B、C軸。精工回轉(zhuǎn)工作臺可用來實現(xiàn)圓周進給運動，除此之外，還可以完成分度運動。而分度工作臺的功用只是將工件轉(zhuǎn)位換面，和自動換刀裝置配合使用，實現(xiàn)工件一次安裝能完成幾個面的多種工序，因此，大大提高了工作效率。金屬加工在線精工轉(zhuǎn)臺的外形和分度工作臺沒有多大差別，但在結(jié)構(gòu)上則具有一系列的特點。由于精工轉(zhuǎn)臺能實現(xiàn)進給運動，所以它在結(jié)構(gòu)上和精工機床的進給驅(qū)動機構(gòu)有許多共同之處。不同點是驅(qū)動機構(gòu)實現(xiàn)的是直線進給運動，而精工轉(zhuǎn)臺實現(xiàn)的是圓周進給運動。 回轉(zhuǎn)工作臺廣泛地使用于各種精工銑床、鏜床、各種立車以及立銑等機床。除了要求回轉(zhuǎn)工作臺能很好地承受工件重量外，還需要保證其在承載下的回轉(zhuǎn)精度。轉(zhuǎn)臺軸承，作為轉(zhuǎn)臺的核心部件，在轉(zhuǎn)臺運行過程中，不僅要具有很高的承載能力，還需具備高回轉(zhuǎn)精度、高抗傾覆能力、以及較高的轉(zhuǎn)速能力等。 1、推力球軸承圓柱滾子軸承 推力球軸承能承受一定的軸向力，所以該軸承主要用于承受工件的重量;而圓柱滾子軸承主要用于徑向的定位和承受外部的徑向力(例如切削力、銑削力等)。該類設(shè)計應(yīng)用廣泛，并且成本也相對比較低廉。由于推力球是一種點接觸的軸承，所以它的軸向承載力相對比較有限，主要用于小型或中型的機床回轉(zhuǎn)工作臺。此外推力球的潤滑也比較困難。 2、靜壓軸承精密圓柱滾子軸承 靜壓軸承是一種靠外部供給壓力油，在軸承內(nèi)建立靜壓承載油膜以實現(xiàn)潤滑的滑動軸承。靜壓軸承從起動到停止始終在潤滑下工作，所以沒有磨損，使用壽命長，起動功率小;此外，這種軸承還具有旋轉(zhuǎn)精度高，油膜剛度大，能抑制油膜振蕩等優(yōu)點。精密圓柱滾子軸承具有很好的徑向承載力，并且由于采用了精密級的軸承，回轉(zhuǎn)工作臺的回轉(zhuǎn)精度也能得到保證。使用該類設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺能承受很高的軸向力，有些工件的重量超過200t以上，轉(zhuǎn)臺直徑超過10m。但是該類設(shè)計也有一些不足之處，由于靜壓軸承必須附帶一套專用的供油系統(tǒng)來供給壓力油，維護比較復(fù)雜，而且成本也比較高。 3、交叉滾子軸承 交叉滾子軸承在轉(zhuǎn)臺上的應(yīng)用比較普遍。交叉滾子軸承的特征是軸承中有兩個滾道，兩排交叉排列的滾子。與傳統(tǒng)的推力軸承徑向定心軸承組合相比，交叉滾子軸承結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧，并簡化了工作臺設(shè)計，從而降低了轉(zhuǎn)臺的成本。由于使用了優(yōu)化的預(yù)緊力，該類軸承具有很高的剛度，因而轉(zhuǎn)臺的剛度和精度也都得到了保證。得益于兩排交叉滾子的設(shè)計，軸承的有效跨距能被顯著提高，所以該類軸承具有很高的抗傾覆力矩。 在交叉滾子軸承中，又分成兩種類型：第一種是圓柱交叉滾子軸承，第二種是圓錐交叉滾子軸承。通常，圓柱交叉滾子軸承價格比圓錐交叉滾子軸承低，適用于轉(zhuǎn)速相對較低的轉(zhuǎn)臺應(yīng)用中;而圓錐交叉滾子軸承采用了圓錐滾子的純滾動設(shè)計，具有運轉(zhuǎn)精度高，轉(zhuǎn)速能力強，減少了軸長度和加工成本等優(yōu)勢。交叉滾子軸承適用于各種類型的立式或臥式鏜床，以及立磨、立車和大型齒輪銑床等應(yīng)用。 綜上所述，為了能選擇合適尺寸和類型的軸承，需要綜合考慮各種工況條件，例如運行速度、潤滑、安裝類型、主軸剛度、精度等要求。就軸承本身而言，只有充分地了解它的設(shè)計特點以及由此帶來的優(yōu)點和缺點，才能充分發(fā)揮軸承的性能。軸承作為機床主軸和轉(zhuǎn)臺的核心部件，對機床的運行表現(xiàn)起到了舉足輕重的作用。