机床设计中轴承的选用技巧

李琴兰

（天水师范学院工学院，甘肃天水741001）

轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴组件的工作性能。主轴的回转精度在很大程度上由轴承所决定。试验证明，轴承的变形量占主轴组件总变形量的30%～50%。轴承的发热也是主轴组件或变速箱的重要热源。因此，正确选用主轴轴承是机床主轴组件配置的重要内容之一。机床上常用的主轴轴承有滚动轴承和滑动轴承两大类。

1 主轴滚动轴承

1.1 滚动轴承的类型

滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围内稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。加工中心主轴组件在可能的条件下，尽量使用滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够做轴向移动的主轴。这时用滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。滚动轴承根据滚动体的结构分为球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承三大类。

为了实现加工中心主轴转速的超高速，选用陶瓷轴承。陶瓷轴承是指轴承滚动体是用陶瓷材料制成，而内外圈则仍用轴承钢制造。陶瓷轴承为高密度热压氮化硅（Si3N4）。之所以选用陶瓷作为滚动体，主要是因为它具有以下特性：一是重量轻，是轴承钢的40%；二是热膨胀系数小，是轴承钢的25%。三是弹性模量大，为轴承钢的1.5倍。所以它具有离心力小，动摩擦力小，预紧力稳定，弹性变形小，刚度高的特点。转速越高，则由滚动体引起的离心力和惯性滑移随之增高。采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有利于进一步提高主轴转速，其主轴最高转速可达50000r/min。目前还存在价格昂贵和有关寿命、可靠性的实验数据尚不充分等问题，还需要进一步试验和完善。但是，陶瓷轴承的优越性是不容置疑的，而且已经用于加工中心上。

1.2 主轴轴承的合理布置

1.2.1 两支承主轴轴承的配置形式

主轴轴承的选择和配置形式主要根据主轴组件的工作任务及结构特性来决定，同时还必须兼顾制造厂家长期使用某种类型轴承所积累的经验及轴承的的供应条件灵活决定。

机床主轴有前、后2个支承和前、中、后3个支承两种，以前者较为多见。两支承主轴轴承的配置形式，包括主轴轴承的选型，组合以及布置，主要根据对所设计主轴组件在转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求。

在确定两支承主轴轴承配置形式时应遵循以下一般原则：

（1）适应刚度和承载能力的要求：主轴轴承配置形式的选择首先应满足所要求的刚度和承载能力。支承中有多个轴承的比只有一个轴承的刚度高。由于提高前支承的刚度能有效提高主轴组件的刚度，故提高刚度的轴承应配置在前支承。

（2）适应转速要求：不同型号、规格和精度等级的轴承所允许的最高转速是不同的。在相同条件下，点接触的比线接触的高；圆柱滚子比圆锥滚子高。因此，应综合考虑对主轴组件刚度和转速两方面的要求来选择轴承配置形式。

（3）适应精度的要求：主轴组件承受轴向力的推力轴承配置形式直接影响主轴的轴向位置精度。前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响加工精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙不方便，前支承处发热量大。后端定位的特点与上述相反。两端定位时，主轴受热伸长时轴承轴向间隙的改变较大。

1.2.2 三支承主轴组件

某些机床由于结构设计上的原因，导致主轴箱长度较长，其主轴两个支承之间的支承跨距远大于最佳跨距，此时，应考虑增设中间支承来提高主轴组件的刚度和抗振性。

由于制造工艺上的限制，要使箱体中三个主轴支承座孔中心完全同轴不可能。为了保证主轴组件的刚度和旋转精度，通常只有两个支承起主要作用，而另一个支承起辅助作用，辅助支承常采用刚度和承载能力较小的轴承，其外圈与支承座孔的配合比主要支承松1～2级，保证有一定的间隙，以解决三孔不同轴的问题。

1.3 主轴滚动轴承的应用设计

1.3.1 主轴滚动轴承的刚度和承载能力

滚动轴承的刚度主要取决于滚动体与滚道之间的接触刚度。一般情况下，线接触的圆柱滚子轴承要比点接触的球轴承好。滚动轴承的刚度与轴承类型、载荷和预紧情况有关，且随着载荷的增大呈非线性特性。

轴承的滚动体与滚道之间是接触变形。轴承在零间隙的变形和刚度可按下列公式计算［1］。

（1）点接触轴承

（2）线接触的滚子轴承，径向和轴向变形的计算公式

式中δr、δa——径向和轴向变形，μm

Qr、Qa——一个滚动体的径向和轴向载荷，N

α——接触角

Kr、Ka——径向和轴向刚度，N／μm

la——滚子有效长度

Fr、Fa——轴承的径向和轴向载荷，N

由以上计算公式可以看出，轴承的载荷和变形之间的关系是非线性的，不服从虎克定律。轴承的刚度，不是一个定值，而是载荷的函数。载荷越大，刚度也越大。载荷对刚度影响，点接触的球轴承与线接触的滚子轴承有所不同。球轴承的刚度与载荷的1／3次幂成正比，而滚子轴承的刚度与载荷的0.1次幂成正比，故球轴承载荷对刚度的影响比滚子轴承对刚度的影响大。所以，对球轴承在计算载荷时应考虑预紧力。

在实际计算中，总希望有一个刚度值供参考。在外载荷无法确定时，计算中常取轴承额定载荷的1／10作为轴承的载荷。

主轴组件轴向载荷太大时，应选用推力球轴承或推力角接触球轴承；轴向载荷较小，转速较高时，可选用角接触球轴承，以合理分配主轴的轴向载荷，保证轴向刚度。

1.3.2 主轴常用滚动轴承的公差等级及配合

普通精度的滚动轴承可满足一般机床对支承精度的要求，但为了满足精密机床、高速机床等要求的工作精度和运转平稳性时，就需采用高精度轴承。轴承的精度等级确定后，就可根据轴承精度等级和轴承的类型选取推荐的配合。

1.3.3 轴承间隙的调整和预紧

合理的轴承间隙或适当的预紧（负间隙）对主轴组件的工作性能和轴承的寿命有重要的影响。除了某些特制的轴承制造时已保证了要求的间隙量以外，一般主轴组件都应当在结构上保证能调整轴承的间隙。机床上调整轴承间隙常用拧紧螺母或修磨垫片的方法。

通常滚柱轴承比球轴承允许的预加载荷要小一些。轴承精度越高，达到同样刚度所需的预加载荷越小。转速越高，轴承精度越低，正常工作所要求的间隙越大。

1.3.4 主轴轴承的润滑

润滑对主轴组件的工作性能与轴承的寿命有很大的影响。润滑不合理可能引起发热量增加，降低主轴工作精度，并加速轴承磨损。

用于滚动轴承的润滑剂可分为两类，即油脂润滑剂和液体润滑剂。滚动轴承润滑方式的选择与轴承的转速、负荷、容许温度及轴承类型有关。由于轴承的温升通常与轴承的速度因素（dn值或dmn）成正比，故常可按轴承的dn值或dmn选择润滑方式［2］。

1.3.5 主轴滚动轴承的密封

滚动轴承密封装置的作用在于防止冷却液、切屑、灰尘、杂物等进入轴承，并使润滑剂无泄漏地保持在轴承内，从而充分发挥轴承的性能，确保轴承的使用寿命。对主轴组件密封装置的要求是：

（1）适应主轴的转速：在一定温度和压力范围内具有良好的密封性能。密封部位的摩擦力应尽量小。

（2）适应工作环境：耐腐蚀、密封性能好。磨损后能作一定程度的自动补偿。

（3）结构紧凑：主轴前轴承密封装置的轴向尺寸小，以适应主轴前端的悬伸量，维修方便。

主轴轴承的密封分接触式和非接触式密封。前者又可分为径向密封圈密封和毛毡圈密封，因为这种密封存在摩擦磨损，发热严重，一般适用于低速主轴。非接触式密封可分为间隙式密封、曲路式密封和垫圈式密封，为保证密封作用，旋转部分与固定部分的径向间隙应小于0.2～0.3mm，在密封处应有回油孔，以防漏油。这种密封发热少，应用广泛。

2 主轴滑动轴承

滑动轴承因具有良好的抗振性、旋转精度高、运动平稳等特点，应用于高速或低速的精密、高精度数控机床。

主轴滑动轴承按产生油膜的方式，可以分为动压轴承和静压轴承两大类。按照流体介质不同可分为液体滑动轴承和气体滑动轴承。

2.1 液体动压轴承

动压轴承是靠主轴以一定转速旋转时带着润滑油从间隙大处向间隙小处流动，形成压力油膜而将主轴浮起，并支承载荷。轴承中只产生一个压力油膜的叫单油楔动压轴承。当载荷、转速等工作条件变化时，单油楔动压轴承的油膜厚度和位置也随着变化，使轴心线浮动而降低了旋转精度和运动平稳性。多油膜轴承因有几个独立油膜，形成的油膜压力在几个方向支承轴颈，轴心位置稳定性好，抗振性和抗冲击性能好。

当主轴以一定的速度旋转时，在轴颈周围能形成几个压力油楔，把轴颈推向中央，因而主轴的向心性好。当主轴受到外载荷时，轴颈稍有偏心，承载的油隙间隙减小而压力升高，相对方向的油隙间隙增大而压力降低，形成了新的平衡。此时承载方向的油膜压力将比普通单油楔轴承的压力高，油膜压力愈高和油膜越薄，则其刚度越大。故多油楔轴承能满足主轴组件的要求。油膜的承载能力与工作状况有关，如速度、润滑油的黏度、油楔结构等。转速越高，间隙越小，油膜的承载能力越大。

动压滑动轴承必须在一定的运转速度下才能产生压力油膜。因此，不适用于低速或转速范围变化较大而下限转速过低的主轴。因此，一般不宜在加工中心主轴组件中使用。

2.2 液体静压轴承

液体静压轴承由一套专用供油系统、节流器和轴承三部分组成。静压轴承由供油系统供给一定压力油，输进轴和轴承的间隙中，利用油的静压力支承载荷，轴颈始终浮在压力油中。所以，轴承油膜压强与主轴转速无关，承载能力不随转速而变化。静压轴承与动压轴承相比有如下优点：承载能力高、旋转精度高、油膜有均化误差的作用、可提高加工精度，抗振性好，运转平稳，既能在极低速下工作，也能在极高转速下工作，摩擦小，轴承寿命长。

静压轴承主要的缺点是需要一套专用供油设备，轴承制造工艺复杂、成本高。

2.3 气体静压轴承

用空气作为介质的静压轴承称为气体静压轴承，也称为气浮轴承或空气轴承，其工作原理与液体静压轴承相同。由于空气的黏度比液体小得多，摩擦小，功率损耗小，能在极高转速或极低温度下工作，震动、噪声特别小，旋转精度高，寿命长，基本上不需要维护，用于高速、超高速、高精度数控机床主轴组件中。

2.4 磁力轴承

磁力轴承是一种新型的高性能轴承，具有各种传统轴承无法相比的特殊性能。磁力轴承不与轴颈表面接触，不存在机械摩擦和磨损，不需要润滑和密封，温升低，热变形小，转速高，寿命长，能耗低；磁力轴承基本电磁力反馈控制系统保证主轴的旋转精度，刚度和阻尼可调控，可消除转子质量不平衡引起的振动，可实现高速回转下自平衡，回转特性可由传感器和控制系统获得，便于状态监控和诊断。磁力轴承主要用在加工中心的主轴组件中。

[1]夏田.数控加工中心设计[M].化学工业出版社，2007.

[2]现代实用机床设计手册编委会.现代实用机床设计手册（上册）[M].机械工业出版社，2006.