机床主轴和转台的轴承选型完全手册

2019年机床主轴和转台的轴承选型完全手册

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ISO P5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ISO P4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。

图1.机床主轴

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15度和25度的接触角；通常15度的接触角具有比较高的转速性能，而25度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。

图2.精密角接触球轴承

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）。

图6.机床坐标轴

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。

回转工作台广泛地使用于各种数控铣床、镗床、各种立车、立铣等机床上。除了要求回转工作台能很好地承受工件重量外，还需要保证其在承载下的回转精度。转台轴承，作为转台的核心部件，在转台运行过程中，不仅要具有很高的承载能力，还需具备高回转精度、高抗倾覆能力、以及较高的转速能力等。在回转工作台设计中，使用的比较多的轴承类型大致分为这么几种：

1、YRT转台轴承

YRT转台轴承是一种外圈旋转，内圈支撑的回转机构，主要分为YRT型、YRTS型、YRTM型三大系列，此三系列轴承具有相同的安装尺寸，内部结构存在差异，性能相似。YRT系列轴承均有三列滚子构成，两列轴向滚子保证稳定的轴向承载能力，一列径向滚子保证轴承可承受径向力及倾覆力矩作用，适合轴向承载的回转机构。YRT转台轴承主要用于数控机床制造业。

YRT转台轴承由一个推力/向心轴圈，一个推力垫圈，两个滚针保持架组件和一组向心圆柱滚子组成。座圈和轴圈有均布的安装用螺钉孔。该型轴承具有高轴向和径向承载能力。高倾斜刚度和极高的精度。适用于回转工作台，卡盘和铣刀头以及测量和实验中的轴承配置。该型轴承对与之相配的设备零件的要求也较高。安装时需控制安装螺钉的扭紧力矩。

被广泛应用于精密回转台数控转台、立式磨床、分度头、滚齿机、铣齿机工件轴等精密装置。

2、YRTS高速转台轴承

YRTS高速转台轴承（简称YRTS转台轴承）系列外形结构尺寸与YRT系列相同，但内部结构异于YRT系列，这就决定了YRTS转台轴承系列极限转速较YRT转台轴承系列更高一些，摩擦力矩较YRT转台轴承系列低并且均匀，因此，对于需要相对较低摩擦但相对高速的场合，可选用该系列，例如由直驱电机所驱动的轴使用的轴承。

由于YRTS轴承具有较高的极限转速和很低的稳定的摩擦力矩等特点，因此这种轴承尤其适合于带有力矩的发动机上。

YRTS高速转台轴承特点：

?高精度：精度可达到P4、P2级；

?高刚性：该系列轴承均带有预载荷；

?高承载：可承受轴向载荷、径向载荷、倾覆载荷。

?高转速：YRTS系列轴承可应用于转速较高的工作场合。

3、交叉滚子轴承

交叉滚子轴承在转台上的应用也比较的普遍。

交叉滚子轴承有两大类组成，一种是交叉圆柱滚子轴承，另一种是交叉圆锥滚子轴承；交叉滚子轴承在国外已经有很长的应用历史，但在国内也仅仅是最近几年才进入大众的视界，由于自身的特殊性和拥有其他轴承所不可比拟的优越性而被广泛使用。

交叉圆柱滚子轴承内部结构采用滚子呈90°相互垂直交叉排列(这也是交叉滚子轴承的名称由来)，滚子之间装有间隔保持器或者隔离块，可以防止滚子的倾斜和滚子之间相互摩擦，有效防止了旋转扭矩的增加。另外，不会发生滚子的一方接触现象或者锁死现象；同时因为标准型交叉滚子轴承内外环是分割的结构，间隙可以调整，即使被施加予压力，也能获得高精度的旋转运动。

交叉圆锥滚子轴承的设计能在较小的空间内提供较高的旋转精确度和刚度，大幅度节省材料成本。这类轴承是将两套轴承滚道和滚子按直角十字交叉安装在一起，相邻滚子朝相反方向，滚子与滚子之间安装有隔离块，滚子上还装有支撑垫片，这使得滚子的两个半列容进同一空间内。轴承的夹角和锥形几何形状使得轴承有效跨度要比轴承本身的实际宽度大好几倍。

交叉圆锥滚子轴承适用于高速机床应用，如立式镗床和立式磨床。也特别适用于许多空间有限，旋转精度要求较高的设备。

总而言之，轴承作为机床主轴和转台的核心部件，对机床的运行表现起到了

举足轻重的作用。为了能选择合适尺寸和类型的轴承，我们需要综合考虑各种工况条件，例如运行速度、润滑、安装类型、主轴刚度、精度等要求。就轴承本身而言，只有充分地了解它的设计特点以及由此带来的优点和缺点，我们才能发挥出轴承的最佳性能。