姜韶峰,王小龍,袁玉同

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039;2.中國機械工業(yè)集團公司，北京 100080；3.河南煤業(yè)化工集團有限責任公司，鄭州 450046)

主軸作為機床的重要零部件，其性能直接影響機床的精度、剛度、壽命和可靠性，而軸承的技術(shù)水平高低和產(chǎn)品質(zhì)量好壞對主軸系統(tǒng)乃至主機的性能有著舉足輕重的影響。

通常對主軸的最基本要求為高旋轉(zhuǎn)精度、高速、寬的變速范圍、高剛度、低而穩(wěn)定的溫升及高可靠性。這些要求之間是有沖突的，若要1根主軸同時滿足上述所有要求幾乎是不可能的。因此，在設(shè)計主軸支承結(jié)構(gòu)時，要根據(jù)機床不同的性能要求選用不同類型的軸承及組配形式[1]。

1 精密機床軸承的類型和特點[2]

1.1 主軸軸承

1.1.1 角接觸球軸承

1.1.1.1 尺寸系列

機床用角接觸球軸承按尺寸系列一般分18，19，(1)0和(0)2共4個系列，內(nèi)徑相同時，各系列軸承的外徑依次增大。精密機床主軸主要根據(jù)剛度和轉(zhuǎn)速來選擇支承軸承，其次才考慮承載能力、抗振性和噪聲等因素。相同的安裝空間，(1)0，19，18尺寸系列的軸承允許的軸徑依次增大。從剛度和轉(zhuǎn)速來考慮，精密機床主軸軸承宜選用(1)0，19，18尺寸系列，但18系列軸承壁薄，加工難度大，除非特殊場合，一般很少采用，所以高速精密機床主軸最常見的角接觸球軸承為(1)0，19尺寸系列。

1.1.1.2 接觸角

機床用角接觸球軸承按接觸角一般分為15°和25°。接觸角越大，軸向承載能力越大，但軸承的極限轉(zhuǎn)速越低，因此，15°接觸角宜用于轉(zhuǎn)速較高、軸向載荷較小的情況。

1.1.1.3 結(jié)構(gòu)類型

軸承依結(jié)構(gòu)類型分為開式和密封2種。密封軸承一般采用脂潤滑；開式軸承適用油潤滑。

1.1.1.4 滾動體材料

軸承滾動體按材料分主要有鋼球和陶瓷球。高速精密機床主軸陶瓷球軸承目前主要是指僅滾動體采用氮化硅陶瓷材料，內(nèi)、外套圈仍采用優(yōu)質(zhì)軸承鋼的混合陶瓷球軸承。陶瓷球軸承較同類型、同規(guī)格的鋼制球軸承極限轉(zhuǎn)速提高25%～30%，相同工況條件下，壽命提高約3倍。氮化硅與軸承鋼的性能對比見表1。

表1 氮化硅與軸承鋼的主要性能對比

1.1.1.5 潤滑方式[3]

機床用角接觸球軸承有脂潤滑和油潤滑。潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、載荷、容許溫升、軸承類型以及相關(guān)條件等有關(guān)。

①脂潤滑

脂潤滑的潤滑劑黏附力強，使用方便，維護簡單，無需經(jīng)常添加和更換潤滑劑，但其摩擦阻力要比油潤滑時大。軸承最常用的潤滑脂是以礦物油作為基礎(chǔ)油的鋰基脂，對高速精密軸承也可采用以合成雙脂潤滑油為基礎(chǔ)油的復合鋇基脂。軸承中不宜過多充填潤滑脂，否則，潤滑脂會因攪拌發(fā)熱發(fā)生熔化、變質(zhì)，從而喪失潤滑作用。填脂量應(yīng)根據(jù)軸承的類型、尺寸和工作轉(zhuǎn)速等確定，高速精密機床軸承根據(jù)軸承的轉(zhuǎn)速情況推薦以填滿軸承內(nèi)部自由空間的15%～25%為宜。

脂潤滑軸承在工作初期必須先進行跑合，經(jīng)過跑合，過量的潤滑脂強制進入軸承溝道，使軸承內(nèi)的潤滑脂均勻分布，并可保證在軸承正常工作時的熱平衡溫度最低。跑合從低速(如最高轉(zhuǎn)速的一半)開始，當達到穩(wěn)定溫度時再提高轉(zhuǎn)速，直至達到軸承的最高轉(zhuǎn)速并且溫度穩(wěn)定為止。

②油潤滑

高速精密機床軸承的油潤滑有油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑以及環(huán)下潤滑(或直潤滑)等。

油霧潤滑具有潤滑和冷卻的雙重作用，其以壓縮空氣為動力，通過油霧器將油液霧化并混入空氣流中，然后將其輸送到需要潤滑的位置。油霧潤滑所需設(shè)備簡單，維修方便，價格較便宜，是高速電主軸普遍使用的潤滑方式。但其污染環(huán)境，油耗高，隨著人們對環(huán)保要求的提高，油霧潤滑方式必將逐漸被淘汰。

油氣潤滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤滑油連續(xù)不斷地、精確地供給軸承，微小油滴在球和內(nèi)、外溝道間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣則帶走軸承運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤滑方法，但其所需設(shè)備復雜，成本高。由于油氣潤滑方式的潤滑效果理想，目前已成為國際上最流行的潤滑方式。

噴射潤滑法是將潤滑油從接近軸承的噴嘴小孔中，以10～20 m/s的速度噴入軸承，通常是噴入保持架與內(nèi)圈或外圈所形成的間隙中，具有潤滑和冷卻軸承的作用。雙孔或多孔噴嘴既可加大供油量，又可提高潤滑油的使用效率；多噴嘴或在2個端面都設(shè)噴嘴，可以提高潤滑與冷卻的效果。但當dm·n值接近2×106mm·r/min時，由于離心慣性和風阻的影響，送入軸承的潤滑油只有噴嘴流量的70%或更少。

環(huán)下潤滑法是利用離心慣性直接將潤滑油經(jīng)由開設(shè)在內(nèi)圈上的許多徑向小孔噴向溝道表面的潤滑方法，潤滑油的一部分沿內(nèi)圈下方作軸向流動而達到冷卻內(nèi)圈的目的。進入溝道的油分成左右2條通道向外流出，順便將從保持架等零件落下的磨屑沖掉。 環(huán)下潤滑的用油量比噴油潤滑少得多，由于油的動力攪拌所導致的功率損失也少，軸承的發(fā)熱情況也得到較大改善，甚至內(nèi)圈溫度可能低于外圈從而降低軸承故障率。 環(huán)下潤滑法被廣泛用于各種超高速運轉(zhuǎn)場合。

ZYS開發(fā)了外圈溝道直潤滑的超高速機床主軸軸承(圖1)，即在主軸軸承外圈沿徑向開設(shè)潤滑油孔，使?jié)櫥屯ㄟ^該徑向孔直接對軸承溝道進行潤滑，也可大大提高軸承的極限轉(zhuǎn)速。

圖1 外圈溝道直潤滑的超高速機床主軸軸承

1.1.2 圓柱滾子軸承

圓柱滾子軸承中滾子和滾道為線接觸，能承受較大的徑向載荷，若無擋邊則不能承受軸向載荷。圓柱滾子軸承有單列和雙列之分，內(nèi)孔分圓柱孔和帶1∶12錐度的圓錐孔。其中，精密機床主軸軸承最常用的為內(nèi)孔帶1∶12錐度的雙列圓柱滾子軸承NN30K系列，該軸承需要與承受軸向載荷的雙向推力角接觸球軸承2344系列組合使用，其最顯著的優(yōu)點之一為安裝后也可進行內(nèi)部游隙的調(diào)整。

圓錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈圓錐孔的錐度為1∶12(即半錐角為2°23′9.4″)，與主軸的錐形軸頸相配合。軸承裝配過程中，軸向移動內(nèi)圈，可以把內(nèi)圈脹大，從而改變軸承內(nèi)部徑向游隙并實現(xiàn)軸承的預緊。

圓柱滾子軸承常用于載荷較大，要求剛度較高，而轉(zhuǎn)速相對來說不太高的中、大型機床。

1.1.3 雙向推力角接觸球軸承

雙向推力角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)如圖2所示，公稱接觸角為60°，可承受較大雙向軸向載荷，軸向剛度高；修磨隔套的厚度即可調(diào)整軸承的預緊；軸承的公稱外徑和與其配套的雙列圓柱滾子軸承的外徑相同，但偏差較小，故與箱體孔的配合有一定間隙，因此雙向推力角接觸球軸承不能承受徑向載荷，由與其配套的雙列圓柱滾子軸承承受。

圖2 雙向推力角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

精密機床主軸用雙向推力角接觸球軸承常用的是2344和2347系列。2344系列軸承用于與雙列圓柱滾子軸承錐孔小端配合，2347系列用于大端配合。當雙向推力角接觸球軸承的轉(zhuǎn)速性能不能滿足機床高速化的需求時，也可采用2套背對背、接觸角為30°或40°的高速推力角接觸球軸承組(圖3)替代。

圖3 高速推力角接觸球軸承結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.4 圓錐滾子軸承

圓錐滾子軸承可承受徑向載荷和1個方向的軸向載荷，同角接觸球軸承一樣，在徑向載荷作用下，圓錐滾子軸承內(nèi)部產(chǎn)生1個軸向分力，因此，常與承受反向軸向載荷的另一圓錐滾子軸承配合使用。圓錐滾子軸承可承受較大的軸向載荷，軸向剛度較高，但其轉(zhuǎn)速性能較低。

1.2 滾珠絲杠軸承

滾珠絲杠軸承(圖4)是指接觸角為60°的單向推力角接觸球軸承，其能承受較大的單一方向的軸向載荷，同時也可承受一定的徑向載荷。滾珠絲杠軸承常常需組配使用，其具有高軸向剛度、高轉(zhuǎn)速、低摩擦、長壽命以及瞬時高低速轉(zhuǎn)換性能好等特點。

圖4 滾珠絲杠軸承示意圖

1.3 轉(zhuǎn)臺軸承

轉(zhuǎn)臺軸承(圖5)是軸向和徑向圓柱滾子組合軸承，由2個推力滾針軸承和1個向心圓柱滾子軸承組合而成。其軸向和徑向設(shè)置預載荷，具有高精度、高剛度和高承載能力。為了運輸和安裝方便，內(nèi)圈和外圈上均開設(shè)多個螺釘孔，整套軸承使用定位螺釘緊固，安裝時需控制安裝螺釘?shù)呐ぞo力矩。該軸承特別適用于機床或其他精密機械的旋轉(zhuǎn)工作臺或分度盤。

圖5 轉(zhuǎn)臺軸承

2 主軸軸承的組配

為了提高軸承的承載能力和剛度，角接觸球軸承通常采用2個或多個軸承組配使用。用于組配軸承的單個軸承除了滿足相關(guān)的外形尺寸公差和旋轉(zhuǎn)精度之外，任意2個軸承間的平均內(nèi)徑相互差、內(nèi)圈徑向跳動相互差、平均外徑相互差、外圈徑向跳動相互差、實際接觸角相互差、相鄰2個軸承凸出量相互差等性能參數(shù)都要進行嚴格的控制。

軸承雙聯(lián)配置的形式有背對背(DB型)、面對面(DF型)及串聯(lián)(DT型)3種，如圖6所示。為了獲得更高的承載能力和剛度，機床主軸用角接觸球軸承還采用三聯(lián)、四聯(lián)甚至五聯(lián)等多聯(lián)配置方式。其中，常用的三聯(lián)和四聯(lián)配置形式如圖7所示。

圖6 軸承雙聯(lián)配置形式

圖7 軸承多聯(lián)配置形式

對組配軸承，受載方向不同，軸承組的工作性能有很大的不同，因此，組配軸承，尤其是不對稱排列的組配軸承都有一固定的安裝方向。一般采取在組配軸承的外圈上沿軸線方向標記角線“∨”的方法進行方向的確定(圖8)，角線“∨”開口對著作用在內(nèi)圈上的軸向載荷，即角線“∨”尖角方向應(yīng)與作用在軸承內(nèi)圈上的軸向載荷方向一致。如果作用在軸承內(nèi)圈上的載荷為雙向，則角線“∨”尖角方向應(yīng)與作用在軸承內(nèi)圈上較大軸向載荷的方向一致。

圖8 組配軸承外圈角線標示

除上述固定組配形式外，角接觸球軸承還有萬能組配形式，即2個萬能組配單套軸承可以組配成任一形式。但萬能組配的單套軸承除滿足一般的組配軸承的技術(shù)要求外，還必須保證單套軸承內(nèi)、外套圈兩端的凸出量相同，因此，其技術(shù)含量高，加工難度大。

3 精密機床軸承的預緊[2]

精密軸承在工作時一般要施加一定的預載荷，其主要目的為：(1)使旋轉(zhuǎn)軸在軸向和徑向正確定位，提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度；(2)提高剛度；(3)控制高速下滾動體的自旋滑動，減少滾動體的公轉(zhuǎn)打滑；(4)減少支承的軸向和徑向的竄動量；(5)提高軸承阻尼，降低振動和噪聲；(6)提高軸承使用壽命。

軸承的預緊分軸向預緊和徑向預緊。角接觸球軸承、滾珠絲杠軸承及雙向推力角接觸球軸承采用軸向預緊，圓柱滾子軸承采用徑向預緊。角接觸球軸承采用軸向預緊時，按照施加預載荷的方式又可分為定位預緊和定壓預緊。

定位預緊(圖9)的軸承在使用過程中支承間的相對位置固定不變。角接觸球軸承高速旋轉(zhuǎn)時，由于離心力的作用，球有“外拋”的趨勢，從而使軸承內(nèi)、外圈間有軸向相對移動的傾向，但由于其位置已相對固定，因此離心力的作用導致軸承預緊力加大，摩擦發(fā)熱加劇。另外，工作溫度的變化也會引起軸及軸承座尺寸以及兩支承間定位部件尺寸的變化，從而影響軸承的預緊狀態(tài)。所以，采用定位預緊時應(yīng)注意預載荷的變化對軸承工作性能的影響，定位預緊常用于剛度要求較高的場合，如車床和加工中心等切削型主軸上。

圖9 軸承的定位預緊

定壓預緊(圖10)是利用螺旋彈簧和蝶形彈簧等預緊裝置使軸承在支承部位得到合適的預緊。由于彈簧預緊的剛度比軸承的剛度小得多，因此，經(jīng)定壓預緊后的軸承，其相對位置在使用過程中會有所變化。微小的變動量會被彈簧的伸縮變形吸收，從而避免了軸承預載荷的增加，有利于軸承的高速旋轉(zhuǎn)，但外部載荷引起的彈簧變形卻對軸承剛度非常不利。因此，定壓預緊適用于各種載荷較小、高速旋轉(zhuǎn)的磨削主軸和高速、輕切削的專用機床主軸中。

圖10 軸承的定壓預緊

適當?shù)念A載荷可以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度，但預載荷過大，將使軸承的發(fā)熱加劇，增加了燒傷的可能性，也會降低軸承的使用壽命，因此，應(yīng)合理選擇預載荷。軸承的最佳預載荷應(yīng)根據(jù)其工作轉(zhuǎn)速、外加載荷和潤滑方式，并結(jié)合以往經(jīng)驗，通過反復試驗予以確定。

機床主軸軸承的溫升有一定限制，因此，預緊力的選擇應(yīng)遵循以下原則：機床載荷大、剛度要求高、轉(zhuǎn)速較低或允許的溫升較高時(如普通機床)，應(yīng)選擇大的預緊力；反之，則選擇小的預緊力。一般來說，大預載荷用于低速、高剛度要求的場合，如齒輪和螺紋加工機床的分度軸；中預載荷用于中等轉(zhuǎn)速、中等載荷的外圓磨床、螺紋磨床、齒輪磨床、精密車床和加工中心等主軸；輕預載荷則用于高速、輕載荷或允許溫升較低的精密、高精密機床主軸，如內(nèi)圓磨床、坐標鏜床、精密及高精密加工中心等。上述對預緊力的分析都是宏觀的、定性的，若要確定軸承的最佳預緊力，必須考慮實際工況條件，如轉(zhuǎn)速、外載荷和允許溫升等。

4 機床主軸支承系統(tǒng)[4]

4.1 配置方式

滾動軸承可通過各種不同的組配方式，以適應(yīng)于不同的機床應(yīng)用場合。對速度范圍變化較窄的磨床，可以針對其特定的速度、溫度、剛度和壽命要求得到最優(yōu)的主軸設(shè)計，選擇最合適的軸承結(jié)構(gòu)和最佳截面參數(shù)；對于數(shù)控車床、銑床和加工中心等加工范圍大、適用面廣的機床，其主軸受載和剛度隨速度、加工精度要求的不同，各參數(shù)的要求也不相同，甚至相互之間是矛盾的，所以軸承的選擇就只能根據(jù)加工精度、剛度、載荷和壽命等要求綜合平衡后而確定。幾種常見的主軸用軸承的配置方式及性能特點見表2。

表2 常見主軸用軸承幾種配置方式及性能比較

4.2 典型結(jié)構(gòu)

圖11為機床主軸支承系統(tǒng)最常見的配置形式，在普通車床、銑床和鏜床等機床中較為常見。標準配置形式是前支承采用帶錐孔的雙列圓柱滾子軸承和雙向推力角接觸球軸承，后支承采用帶錐孔的雙列圓柱滾子軸承，這種配置具有主軸剛度高，徑向結(jié)構(gòu)緊湊，圓柱滾子軸承和雙向推力球軸承分別承受徑向和軸向載荷，主軸的軸向熱變形可由圓柱滾子軸承內(nèi)、外圈軸向錯位而消除等特點。安裝時，通常通過錐面配合而進行徑向預緊或?qū)⑤S承初始工作游隙調(diào)整為零。

圖12為20世紀80年代起流行的數(shù)控車床和數(shù)控銑床主軸支承系統(tǒng)的典型配置形式，其前支承采用三聯(lián)角接觸球軸承，按中預載荷組配，主軸的熱變形可由后支承的圓柱滾子軸承消除。從理論計算看，在相同截面尺寸下，圖12支承結(jié)構(gòu)的主軸徑向剛度是圖11的50%左右(以軸端撓度計)。然而實際情況并非如此，這是由于圖11配置中前支承軸頸帶錐度，存在加工難度大，精度不易保證，錐面配合吻合度低，預緊難以掌握等問題，實際剛度比理論計算要低；而圖12配置的前支承軸頸為柱面，精度高，支承軸承精度也高，加之軸承預緊量和組配是預置的，處于最優(yōu)狀態(tài)，保證了其有確定的剛度。

圖11 普通車床主軸

圖13為數(shù)控車床電主軸支承的典型配置形式，其前支承配置與圖12相同，后支承采用雙聯(lián)角接觸球軸承，按輕載荷配對，適用于高速切削。這種支承配置方式的電主軸，如用脂潤滑，dm·n值可達10×106mm·r/min；如用油氣潤滑，dm·n值可達1.3×106mm·r/min。采用這種配置的主軸由于前、后支承完全處于預緊狀態(tài)，因此配合易引起附加載荷，機床熱平衡前主軸快速溫升引起的附加載荷往往難以計算、預測與控制，溫升引起的附加軸向變形也無法消除，為此，座孔與軸承外圈一般選擇微間隙配合，預緊則采用柱形彈簧或液壓擋邊進行定壓預緊，以消除溫升附加軸向力。

圖12 早期數(shù)控車床主軸

圖13 數(shù)控車床電主軸

圖14為高速內(nèi)圈磨床電主軸和高速銑床電主軸的典型配置形式，其前、后支承分別安裝2套按DBA方式配對的角接觸球軸承，柱形彈簧預緊。如采用油氣潤滑，主軸的dm·n值可達1.5×106mm·r/min;若支承軸承為陶瓷球軸承，主軸的dm·n值可達1.8×106mm·r/min。

圖14 內(nèi)圓磨床電主軸

圖15為超高速電主軸的配置形式，前、后支承分別安裝1套接觸角為12°的角接觸球軸承，如果采用陶瓷球軸承，主軸的dm·n值可達2.8×106mm·r/min。

圖15 超高速電主軸

圖16為平面或外圓磨床主軸支承的典型配置形式。前支承采用QBCA或QBCB四聯(lián)配置的角接觸球軸承，后支承采用DBA配置。該配置形式的前支承徑向剛度和角剛度較好，主軸旋轉(zhuǎn)精度高，特別適用于高精度外圓磨削和平面磨削，為了提高主軸旋轉(zhuǎn)精度，配置軸承的精度為P2。另外，滾動絲杠也采用這種配置形式，所配軸承為專用的滾動絲杠軸承——接觸角為60°的推力角接觸球軸承，中載荷或重載荷配置。

圖16 平面磨床主軸

5 結(jié)束語

隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，機床行業(yè)對精密軸承的要求也越來越高，主要體現(xiàn)在高精度、高轉(zhuǎn)速、高剛度、高可靠性、高適應(yīng)性、低噪聲和長壽命等方面。因此，需要生產(chǎn)加工企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計、材料應(yīng)用和制造工藝等多方面予以改進和創(chuàng)新，提高產(chǎn)品質(zhì)量，推進精密機床軸承的技術(shù)發(fā)展。