一种节约空间的回转工作台底座轴承的应用

2022-06-21王俊峰周岩焦建华姜川

机械工程师 2022年6期

王俊峰，周岩，焦建华，姜川

（齐重数控装备股份有限公司，黑龙江齐齐哈尔 161005）

0 引言

数控重型立式铣车加工中心加工精度高、效率高，回转工作台是数控重型立式铣车加工中心的关键核心部件，承担着承载工件做回转运动及精确分度的功能，其刚度、精度与稳定性是机床的重要技术指标，直接影响工件的加工精度。

回转工作台的刚度、稳定性、承载能力、转速等综合性能反映了数控重型立式铣车加工中心的技术水平，也体现了数控加工中心的制造能力和水准，并且直接关系到产品加工精度与生产效率。回转工作台技术含量较高，回转工作台的研究开发一直受到机床行业的重视。同时回转工作台体积的增加和减小直接影响了数控重型立式铣车加工中心的整机体积和质量。据统计，数控车床质量约1/4～1/3来源于回转工作台。

1 回转工作台设计

数控回转工作台是各类数控铣床和加工中心的附件[1]，数控重型立式铣车加工中心回转工作台主要由工作台面、工作台底座、齿圈、主轴、轴承、回转编码器等部分组成。工作台面通过轴承与主轴联接，主轴则与工作台底座通过螺栓固定连接，齿圈与工作台面通过螺栓固定连接，在变速箱内齿轮与工作台齿圈啮合后，电动机内的电动机轴通过变速箱降速增力，可以带动工作台面的旋转。

回转工作台为提高加工精度、实现工作台分度可采用全闭环控制，位置检测元件采用高精度旋转编码器。

因为立式车床对加工工件的承载普遍较大，切削力也同样较大，而回转工作台面在工件加工的过程中是需要在回转工作台主轴上旋转的，这样就使回转工作台底座主轴和回转工作台面之间必须使用能够同时承受径向力和轴向力的轴承。由于滚动轴承有许多优点，加之制造精度提高，所以一般情况下，数控机床应尽量采用滚动轴承[2]。

在传统的轴承布置中，回转工作台底座的主轴轴承采用的方法是多种轴承进行组合使用。多种轴承的组合使用可以保证回转工作台面在回转工作台主轴为中心的基础上旋转，又同时保证了回转工作台的大承载和加工工件时的大切削力。回转工作台装配如图1所示。

图1 回转工作台装配示意图

主轴安装在回转工作台底座上，主轴和回转工作台底座依靠配合止口定位，并通过螺钉和销钉固定。大推力球轴承下轴承圈安装在回转工作台底座上，并通过配合止口定位。齿圈内孔与圆柱滚子轴承通过公差配合，下方通过挡圈固定轴承外环下端，齿圈落在大推力球轴承上。内环带斜度圆柱滚子轴承安装在主轴上，并通过固定螺母锁紧。将小推力球轴承安装在齿圈上，通过配合止口定位，通过压盖与主轴固定连接，并通过调整螺钉来调整安装轴承的预紧力。回转工作台面与齿圈依靠止口定位，并通过螺钉和销钉固定。

随着现代机床加工工件质量的不断增大，加工工件时切削力的不断提升，回转工作台为了能够达到更大的承载和切削力的要求，就需要继续加大组合使用的轴承的规格。组合使用的轴承本身安装就是十分占用空间的，而为了更大轴承的使用，还需要相应地加大回转工作台底座的体积，以保证更大体积的组合使用轴承的安装空间。

回转工作台底座体积加大，其实是有利有弊的。在合理范围内适当地加大回转工作台底座，可以增加回转工作台的整体刚度。但这种体积增加所代来的刚度是工作台底座、主轴和工作台面的大件自身的刚度，而在数控重型立式铣车加工中心的使用过程中，刚度薄弱处是起到旋转作用的轴承的刚度，所以在大件自身在满足回转工作台整体刚度的要求后，再继续增加回转工作台底座大件的体积并不能补充轴承刚度不足的短板，也就无法提升机床的整体刚度。

而且多种轴承组合使用时，需要给每个轴承都提供定位用的孔面、轴面和平面，这样对于组成回转工作台的各个部件都有了较高的加工要求。同样在回转工作台的装配调试过程中，各个部件和轴承也都需要进行仔细的装配调整，以保证各处用于定位配合的孔面、轴面、配合良好，各处用于承重的平面接触良好、受力均匀。以保证机床整体的精度与刚度，又能使轴承使用良好，保证轴承的使用寿命。

支承结构设计需要综合考虑轴承的配置、轴向定位与调整方法、润滑和密封、装配与拆卸等一系列问题，总的要求是保证功能、结构简单、安装调整方便、成本低[3]。

因为回转工作台是机床整体结构布局的基础，其他的部件都是围绕着回转工作台排布的。回转工作台底座外形尺寸增加后，机床的整体尺寸也必须相应地增加，才能满足机床所有结构的安装。这样一来使得机床整体的尺寸都增加了，使机床整体变得笨重，同时也消耗了更多的金属。机床在使用时也变得更加笨重，需要消耗更多能源。而消耗的能源变成了热量，回转工作台处产生额外的热量的位置主要是回转工作台的导轨面和轴承。轴承内的摩擦可以描述为其对旋转的总阻力，其表示轴承中的发热量，因此决定了轴承的工作温度。常用轴承材料可分三大类：1）金属材料。如轴承合金、铜合金、铝基合金和铸铁等。2）多孔质金属材料。3）非金属材料。如工程塑料、碳-石墨等[4]。这些材质在温度发生变化时，材料本身会随之发生膨胀或收缩，对机床精度产生一定影响。如果机器工作时有较大的温度变化，那么工作温度将使配合性质发生变化。轴承运转时，对于一般工作机械来说，套圈的温度常高于其相邻零件的温度。这时，轴承内圈可能因热膨胀而与轴松动，外圈可能因热膨胀而与外壳孔胀紧，从而可能使原来需要外圈轴向游动性能的支承丧失游动性[5]。这样不单单平白地增加了机床的生产、使用成本，降低了机床的精度，同时也造成了浪费。

2 回转工作台内的交叉滚子轴承结构传动设计

交叉滚子轴承这种内圈分割、外圈旋转的特殊型号轴承，因被分割的内环或外环，在装入滚柱和间隔保持器后，与交叉滚柱轴环固定在一起，以防止互相分离，故安装交叉滚柱轴环时操作简单。而且因为滚柱交叉排列，因此只用一套交叉滚柱轴承就可以承受各个方向的载荷，与传统型号相比，刚度提高3～4倍。交叉滚子轴承制作时已经将游隙调整在最佳状态，不必进行间隙调整，可直接组装。从前工业机器人中通常用作关节轴承，随着生产工艺的提升，已经开始应用于其他行业了。

一种简洁的回转工作台底座轴承结构联结传动结构，其回转工作台交叉滚子轴承装配示意如图2所示。

图2 回转工作台交叉滚子轴承装配示意图

主轴安装在回转工作台底座上，主轴和回转工作台底座依靠止口配合定位，并通过螺钉和销钉固定。想要充分发挥轴承的承载能力，其内外圈的内、外径整个圆周表面必须有牢固和均匀的支承为基础。将交叉滚子轴承安装在主轴轴径上，主轴和交叉滚子轴承依靠止口配合定位。上压环安装在交叉滚子轴承上端面，通过止口配合定位，并通过调整螺钉来调整安装轴承的预紧力。为了提高轴承的旋转精度，增加轴承装置的刚度，减小机器工作时轴的振动，常采用预紧的滚动轴承[6]。滚动轴承的预紧是采用适当方法使轴承滚动体和内外套圈之间产生一定的预变形而带负游隙运行。预紧的目的是增加轴承的刚度，提高旋转精度，延长轴承寿命[7]。

齿圈落在交叉滚子轴承上端面，齿圈和交叉滚子轴承依靠止口配合定位。下压环安装在交叉滚子轴承下端面，与交叉滚子轴承通过止口配合定位，并通过调整螺钉来调整安装轴承的预紧力。回转工作台面与齿圈依靠止口配合定位，并通过螺钉和销钉固定。

因为只使用一套轴承，就可以达到多个轴承组合使用的要求。相比多个轴承组合使用，轴承的整体体积减小了40%～50%。回转工作台也可以在满足整体刚度的要求下，尽可能地减小体积。经对比，在保持回转工作台整体刚度不变的前提下，工作台底座的体积能减少10%～25%，相应地可以减少机床的整体体积约3%～8%，机床总重能降低约2%～10%，使机床外形更加合理。同时因为机床总重的减小，在使用中可以极大地减小能量在传递过程中的损耗，还可以减少机床的总体发热量。

而且只使用一套轴承，就可以达到多个轴承组合使用的要求。而且因为缩小了回转工作台所需的体积，可以减小能量的消耗、回转工作台的总发热量，并减少轴承上的温度变化、一部分轴承的微量变形。轴承发热会使轴承发生微量变形，因为组合使用的轴承相当于多个发热点，多个轴承发生热变形，变形情况较为复杂。而一套交叉滚子轴承则是一个发热点，一个轴承发生热变形，变形是均匀的环状变形，相对于多个轴承的复杂变形，回转工作台的工作精度更加容易保证。

与多种轴承组合使用不同的是，只需要给一个交叉滚子轴承提供一套用于定位和承载用的孔面、轴面和平面，这样就减少了需要加工的孔面、轴面和平面，降低了对于组成回转工作台的各个件的加工要求。同样在回转工作台的装配调试过程中，也减少了需要装配调整的孔面、轴面和平面，可以更加简单地达到保证各处用于定位配合的孔面、轴面配合良好的要求，也可以更加简单地保证各处用于承重平面的接触良好、受力均匀。可以更加简单地达到保证机床整体的精度与刚度，又能使轴承使用良好，保证轴承的使用寿命的要求。

因为交叉滚子轴承能承受较高的倾覆力矩，用于机床（例如立式镗床和磨床）的转台轴承最理想。用交叉滚子轴承替代组合使用的轴承，减少了机加的工作量，节约了机加成本，缩短了回转工作台机加时间3%～5%。对装配来说，也减少了大量需要调整的环节，在减轻装配工人工作量的同时，节约了劳动力，减少了装配消耗时间约5%～8%。同时也节约了机床生产所需的2%～10%的金属。

因为机床体积的减小，在使用中可以极大地减小能量在传递过程中的损耗，可以选择更小功率的电动机，降低电动机的成本。同时因为其质量的大大降低，回转工作台在对回转运动做出启停要求时需克服的惯性更低，使得机床在加工时的启动和停止更加顺畅，以节约各个动作时间，在保证加工精度的同时，缩短加工零件所需的时间，以保证更高的生产效率，为加工厂在单位时间能够创造更多的生产利润。