机床主轴和转台轴承的选型浅析

机床主轴和转台轴承的选型浅析2010/5/26/6:30来源：铁姆肯公司作者：俞容铁姆肯公司应用工程师【慧聪五金网】机床工具行业作为机械装备工业的重要组成部分，在整个国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。据统计，在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占总制造工作量的40%～60%左右，因而机床业发展水平通常是一个国家工业发展水平的标志。随着现代制造业的日益发展，客户对于工业母机-机床的要求也越来越高。目前，新材料、新工艺、新设备的不断涌现，对机床的加工能力带来了许多的挑战，为了能满足对上述结构件的加工，现代机床正向着“高速、精密、复合、智能化”的方向发展。随着我国产业结构升级的深入，机床行业内也显示产业结构升级的趋势，即数控机床比例逐步上升，在数控领域，高端数控机床（如重型机床、智能机床等）所占的比例也不断上升，重型机床产品主要是为国家能源（火电、水电、核电、风力发电）、船舶制造、工程机械、冶金、航天、军工、交通运输（铁路、汽车）等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务，国家重点工程项目为重型机床提供了广阔的市场。本文主要介绍如何选择机床中应用于主轴轴承和转台轴承的轴承类型。一、主轴轴承主轴（见图1）作为机床的关键部件，其性能会直接影响到机床的旋转精度、转速、刚性、温升及噪音等参数，进而会影响工件的加工质量，例如零件的尺寸精度，表面粗糙度等指标。因此，为了保持优秀的机床加工能力，必须配用高性能的轴承。用于机床主轴上的轴承精度应为ISOP5或以上（P5或P4是ISO的精度等级，通常从低到高为P0,P6,P5,P4,P2），而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISOP4或以上的精度；主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。主轴轴承点击此处查看全部新闻图片精密角接触球轴承在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承（见图2）的使用最为广泛。我们都知道角接触球轴承的滚动体是球；因为它是一种点接触（区别于滚子轴承的线接触），所以它能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球（一般为Si3N4或者是Al2O3）的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。就角接触球轴承的接触角而言，目前比较流行的是15º和25º的接触角；通常15º的接触角具有比较高的转速性能，而25º的接触角具有较高的轴向承载能力。由于预载的选择对于精密角接触球轴承应用的影响非常大，例如，在高承载、高刚性的场合，一般会选用中型或重型的轴承预载；而针对一些高转速、高精度的应用场合，我们在轴承的早期选型中，需要注意选择合适的预载，一般轻预载比较常见。预载一般分成轻型、中型、重型三种；为了方便客户的使用，目前世界上的几大轴承制造商都普遍提供预先研磨轴承端面而加预载的轴承，也就是我们通常所说的万能配对精密角接触球轴承形式。该类轴承免去了客户的预载调节，从而节省了安装时间。机床主轴和转台轴承的选型浅析2010/5/26/6:30来源：铁姆肯公司作者：俞容铁姆肯公司应用工程师【慧聪五金网】机床工具行业作为机械装备工业的重要组成部分，在整个国民经济的发展过程中起着举足轻重的作用。据统计，在一般的机器制造中，机床所担负的加工工作量占总制造工作量的40%～60%左右，因而机床业发展水平通常是一个国家工业发展水平的标志。随着现代制造业的日益发展，客户对于工业母机-机床的要求也越来越高。目前，新材料、新工艺、新设备的不断涌现，对机床的加工能力带来了许多的挑战，为了能满足对上述结构件的加工，现代机床正向着“高速、精密、复合、智能化”的方向发展。随着我国产业结构升级的深入，机床行业内也显示产业结构升级的趋势，即数控机床比例逐步上升，在数控领域，高端数控机床（如重型机床、智能机床等）所占的比例也不断上升，重型机床产品主要是为国家能源（火电、水电、核电、风力发电）、船舶制造、工程机械、冶金、航天、军工、交通运输（铁路、汽车）等主要工业支柱产业以及国家重点工程项目服务，国家重点工程项目为重型机床提供了广阔的市场。本文主要介绍如何选择机床中应用于主轴轴承和转台轴承的轴承类型。一、主轴轴承主轴（见图1）作为机床的关键部件，其性能会直接影响到机床的旋转精度、转速、刚性、温升及噪音等参数，进而会影响工件的加工质量，例如零件的尺寸精度，表面粗糙度等指标。因此，为了保持优秀的机床加工能力，必须配用高性能的轴承。用于机床主轴上的轴承精度应为ISOP5或以上（P5或P4是ISO的精度等级，通常从低到高为P0,P6,P5,P4,P2），而对于数控机床、加工中心等高速、高精密机床的主轴支承，则需选用ISOP4或以上的精度；主轴轴承包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承，以及圆柱滚子轴承等类型。主轴轴承点击此处查看全部新闻图片精密角接触球轴承在上述的几种轴承中，以精密角接触球轴承（见图2）的使用最为广泛。我们都知道角接触球轴承的滚动体是球；因为它是一种点接触（区别于滚子轴承的线接触），所以它能提供更高的转速、更小的发热量和更高的旋转精度。在一些超高速的主轴应用场合，还会采用陶瓷球（一般为Si3N4或者是Al2O3）的混合型轴承。与传统的全淬透钢球相比，陶瓷球材料自身的特点赋予了陶瓷球轴承具有高刚度、高转速、耐高温、寿命长的特点，从而满足高端客户对机床轴承产品的需求。就角接触球轴承的接触角而言，目前比较流行的是15º和25º的接触角；通常15º的接触角具有比较高的转速性能，而25º的接触角具有较高的轴向承载能力。由于预载的选择对于精密角接触球轴承应用的影响非常大，例如，在高承载、高刚性的场合，一般会选用中型或重型的轴承预载；而针对一些高转速、高精度的应用场合，我们在轴承的早期选型中，需要注意选择合适的预载，一般轻预载比较常见。预载一般分成轻型、中型、重型三种；为了方便客户的使用，目前世界上的几大轴承制造商都普遍提供预先研磨轴承端面而加预载的轴承，也就是我们通常所说的万能配对精密角接触球轴承形式。该类轴承免去了客户的预载调节，从而节省了安装时间。第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO）作为浮动端使用（见图5）；由于具有浮动能力，这类设计能很好的承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。圆锥滚子轴承点击此处查看全部新闻图片精密圆柱滚子轴承在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60-70％。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离；NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔（锥度1：12），与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承（负游隙状态）。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。二、转台轴承数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X,Y,Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X,Y,Z三个坐标轴的圆周运动，我们分别称为A,B,C轴（见图6）。转台轴承点击此处查看全部新闻图片数控回转工作台可用来实现圆周进给运动。数控回转工作台（简称数控转台）除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。第二种是采用两个圆锥滚子轴承面对面安装作为主轴的前端，而后端使用一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO）作为浮动端使用（见图5）；由于具有浮动能力，这类设计能很好的承受主轴的轴向热膨胀，且刚度很高，保证了机床的精度。圆锥滚子轴承点击此处查看全部新闻图片精密圆柱滚子轴承在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也会被使用到，通常与精密角接触球轴承或推力轴承组合应用。此类轴承能承受较大的径向载荷并允许有较高的转速。轴承中的两列滚子以交叉方式排列，旋转时波动频率比单列轴承大幅提高，振幅降低60-70％。此类轴承通常有两种形式：NN30、NN30K两个系列轴承内圈带挡边，外圈可分离；NNU49、NNU49K两个系列轴承外圈带挡边，内圈可分离，其中NN30K和NNU49K系列内圈为锥孔（锥度1：12），与主轴的锥形轴颈配合，轴向移动内圈，可使内圈胀大，这样轴承游隙可以被减小甚至预紧轴承（负游隙状态）。圆柱孔轴承通常采用热装，利用过盈配合减小轴承游隙，或者预紧轴承。对内圈可分离的NNU49系列轴承，一般在内圈装上主轴后再对滚道精加工，以提高主轴旋转精度。二、转台轴承数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。数控机床在加工某些零件的时候，除了需要X,Y,Z三个坐标轴的直线进给运动外，有时候还需要有绕X,Y,Z三个坐标轴的圆周运动，我们分别称为A,B,C轴（见图6）。转台轴承点击此处查看全部新闻图片数控回转工作台可用来实现圆周进给运动。数控回转工作台（简称数控转台）除了可以实现圆周进给运动之外，还可以完成分度运动。而分度工作台的功用只是将工件转位换面，和自动换刀装置配合使用，实现工件一次安装能完成几个面的多种工序，因此，大大提高了工作效率。数控转台的外形和分度工作台没有多大差别，但在结构上则具有一系列的特点。由于数控转台能实现进给运动，所以它在结构上和数控机床的进给驱动机构有许多共同之处。不同点是驱动机构实现的是直线进给运动，而数控转台实现的是圆周进给运动。