主軸作為機(jī)床的 重要零部件, 其性能直接影響機(jī)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(duì)主軸系統(tǒng)乃至主機(jī)的性能有著舉足輕重的影響。通常對(duì)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(shí)滿足 上述所 有要 求幾 乎是 不可能 的。因此, 在設(shè)計(jì)主軸支承結(jié)構(gòu)時(shí), 要根據(jù)機(jī)床不同的性能要求選用不同類型的軸承及組配形式。

　　機(jī)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(gè)系列, 內(nèi)徑相同時(shí), 各系列軸承的外徑依次增大。精密機(jī)床主軸主要根據(jù)剛度和轉(zhuǎn)速來(lái)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(lái) 考慮,精密機(jī)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(chǎng)合,一般很少采用,所以高速精密機(jī)床主軸最常見(jiàn)的角接觸球軸承為(1) 0,19尺寸系列。

　　機(jī)床用角接觸球軸承按接觸角一般分為15度和25度。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度接觸角宜用于 轉(zhuǎn)速較高、軸向載荷較小的情況。

　　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(rùn)滑; 開式軸承適用油潤(rùn)滑


　　軸承滾動(dòng)體按材料分主 要有鋼球和陶瓷球。高速精密機(jī)床主軸陶瓷球軸承目前主要是指僅滾動(dòng)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。

　　機(jī)床用角接觸球軸承有脂潤(rùn)滑和油潤(rùn)滑。潤(rùn)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)。

　　脂潤(rùn)滑的潤(rùn)滑劑黏附力強(qiáng), 使用方便, 維護(hù)簡(jiǎn)單,無(wú)需經(jīng)常添加和更換潤(rùn)滑劑, 但其摩擦阻力要比油潤(rùn)滑時(shí)大。軸承最常用的潤(rùn)滑脂是以礦物油作為基礎(chǔ)油的鋰基脂, 對(duì)高速精密軸承也可采用以合成雙脂潤(rùn)滑油為基礎(chǔ)油的復(fù)合鋇基脂。軸承中不宜過(guò)多充填潤(rùn)滑脂, 否則, 潤(rùn)滑脂會(huì)因攪拌發(fā)熱發(fā)生熔化、變質(zhì),從而喪失潤(rùn)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(jī)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%至25%為宜。

　　脂潤(rùn)滑軸承在工作初期必須 先進(jìn)行跑合, 經(jīng)過(guò)跑合,過(guò)量的潤(rùn)滑脂強(qiáng)制進(jìn)入軸承溝道, 使軸承內(nèi)的潤(rùn)滑脂均勻分布, 并可保證在軸承正常工作時(shí)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(dāng)達(dá)到 穩(wěn)定溫度時(shí)再提高轉(zhuǎn)速,直至達(dá)到軸承的最高轉(zhuǎn)速并且溫度穩(wěn)定為止。

　　高速精密機(jī)床軸承的油潤(rùn)滑 有油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑、噴射潤(rùn)滑以及環(huán)下潤(rùn)滑( 或直潤(rùn)滑) 等。油霧潤(rùn)滑具有 潤(rùn)滑和冷卻的雙重作用, 其以壓縮空氣為動(dòng)力, 通過(guò)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(rùn)滑的位置。油霧潤(rùn)滑所需設(shè)備簡(jiǎn)單, 維修方便, 價(jià)格較便宜, 是高速電主軸 普遍 使用 的潤(rùn) 滑方式。但其 污染 環(huán)境, 油耗高, 隨著人們對(duì)環(huán)保要求的提高, 油霧潤(rùn)滑方式必將逐漸被淘汰。

　　油氣潤(rùn)滑技術(shù)是利用壓縮空氣將微量的潤(rùn)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(dòng)壓油膜, 而壓縮空氣則帶走軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的部分熱量。油氣潤(rùn)滑是高速大功率電主軸軸承的最理想潤(rùn)滑方法, 但其所需設(shè)備復(fù)雜,成本高。由于油氣潤(rùn)滑方式的潤(rùn)滑效果理想,目前已成為國(guó)際上最流行的潤(rùn)滑方式。噴射潤(rùn)滑法是將潤(rùn)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(rùn)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(rùn)滑油的使用效率; 由于離心慣性和風(fēng)阻的影響, 送入軸承的 潤(rùn)滑油只有噴嘴流量的70%或更少。

　　環(huán)下潤(rùn)滑法是利用離心慣性直接將潤(rùn)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(rùn)滑方法, 潤(rùn)滑油的一部分沿內(nèi)圈下方作軸向流動(dòng)而達(dá)到冷卻內(nèi)圈的目的。進(jìn)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(rùn)滑的用油量比噴油潤(rùn)滑少得多, 由于油的動(dòng)力攪拌所導(dǎo)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(rùn)滑法被廣泛用于各種超高速運(yùn)轉(zhuǎn)場(chǎng)合。

雙向推力角接觸球軸承的結(jié)構(gòu)為公稱接觸角為60度，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(yù)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。
　　精密機(jī)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(dāng)雙向推力角接觸球軸承的轉(zhuǎn)速性能不
　　能滿足機(jī)床高速化的需求時(shí), 也可采用 2 套背對(duì)背、接觸角為 30或40度的高速推力角接觸球軸承組。
　　圓錐滾子軸承可承受徑向載荷和1個(gè)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(gè)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。
　　滾珠絲杠軸承指接觸角為60度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(shí)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(zhǎng)壽命以及瞬時(shí)高低速轉(zhuǎn)換性能好等特點(diǎn)。
　　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(gè)或多個(gè)軸承組配使用。用于組配軸承的單個(gè)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(gè)軸承間的平均內(nèi)徑相互差、
　　內(nèi)圈徑向跳動(dòng)相互差、平均外徑相互差、外圈徑向跳動(dòng)相互差、實(shí)際接觸角相互差、相鄰2個(gè)軸承凸出量相互差等性能參數(shù)都要進(jìn)行嚴(yán)格的控制。軸承雙聯(lián)配置的形式有背對(duì)背( D B 型) 、 面對(duì)
　　面( DF 型)及串聯(lián)(DT型)3種, 為了獲得更高的承載能力和剛度, 機(jī)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。
　　對(duì)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(duì)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(biāo)記角線▽的方法進(jìn)行方向的確定 ,角線▽開口對(duì)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。
　　除上述固定組 配形式外,角接觸球軸承還有萬(wàn)能組配形式,即2 個(gè)萬(wàn)能組配單套軸承可以組配成任一形式,但萬(wàn)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。
　　精密軸承在工作時(shí)一般要施加一定的預(yù)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(dòng)體的自旋滑動(dòng),減少滾動(dòng)體的公轉(zhuǎn)打滑;(4)減少支承的軸向和徑向的竄動(dòng)量;(5)提高軸承阻尼, 降低振動(dòng)和噪聲;(6)提高軸承使用壽命。
　　軸承的預(yù)緊分軸向預(yù)緊和徑向預(yù)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(yù)緊,圓柱滾子軸承采用徑向預(yù)緊。角接觸球軸承采用軸向預(yù)緊時(shí), 按照施加預(yù)載荷的方式又可分為定位預(yù)緊和定壓預(yù)緊。
　　定位預(yù)緊的軸承在使用過(guò)程中支承間的相對(duì)位置固定不變。角接觸球軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí),由于離心力的作用,球有“外拋”的趨勢(shì),從而使軸承內(nèi)、外圈間有軸向相對(duì)移動(dòng)的傾向,但由于其位置已相對(duì)固定,因此離心力的作用導(dǎo)致軸承預(yù)緊力加大, 摩擦發(fā)熱加劇。另外, 工作溫度的變化也會(huì)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(yù)緊狀態(tài)。所以,采用定位預(yù)緊時(shí)應(yīng)注意預(yù)載荷的變化對(duì)軸承工作性能的影響,定位預(yù)緊常用于剛度要求較高的場(chǎng)合, 如車床和加工中心等切削型主軸上。
　　定壓預(yù)緊是利用螺旋彈簧和蝶形彈簧等預(yù)緊裝置使軸承在支承部位得到合適的預(yù)緊。由于彈簧預(yù)緊的剛度比軸承的剛度小得多, 因此,經(jīng)定壓預(yù)緊后的軸承,其相對(duì)位置在使用過(guò)程中會(huì)有所變化。微小的變動(dòng)量會(huì)被彈簧的伸縮變形吸收,從而避免了軸承預(yù)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(duì)軸承剛度非常不利。因此,定壓預(yù)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(jī)床主軸中。
　　適當(dāng)?shù)念A(yù)載荷可以提高軸承的旋轉(zhuǎn)精度和剛度,但預(yù)載荷過(guò)大,將使軸承的發(fā)熱加劇, 增加了燒傷的可能性, 也會(huì)降低軸承的 使用壽命, 因此,應(yīng)合理選擇預(yù)載荷。軸承的最佳預(yù)載荷應(yīng)根據(jù)其工作轉(zhuǎn)速、外加載荷和潤(rùn)滑方式, 并結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn), 通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)予以確定。
　　機(jī)床主軸軸承的溫升有一定限制,因此,預(yù)緊力的選擇應(yīng)遵循以下原則: 機(jī)床載荷大、剛度要求高、轉(zhuǎn)速較低或允許的溫升較高時(shí)(如普通機(jī)床) ,應(yīng)選擇大的預(yù)緊力; 反之, 則選擇小的預(yù)緊力。一般來(lái)說(shuō), 大預(yù)載荷用于低速、高剛度要求的場(chǎng)合,如齒輪和螺紋加工機(jī) 床的分度軸;中預(yù)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(yù)載荷則用于高速、輕載荷或允許溫升較低的精密、高精密機(jī)床主軸, 如內(nèi)圓磨床、坐標(biāo)鏜床、精密及高精密加工中心等。上述對(duì)預(yù)緊力的分析都是宏觀的、定性的, 若要確定軸承的最佳預(yù)緊力, 必須考慮實(shí)際工況條件,如轉(zhuǎn)速、外載荷和允許溫升等。

滾動(dòng)軸承可通過(guò)各種不同的組配方式,以適應(yīng)于不同的機(jī)床應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)速度范圍變化較窄的磨床,可以針對(duì)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(jì),選擇最合適的軸承結(jié)構(gòu)和最佳截面參數(shù);對(duì)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(jī)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。
　　機(jī)床主軸支承系統(tǒng)最常見(jiàn)的配置形式,在普通車床、銑床和鏜床等機(jī)床中較為常見(jiàn)。標(biāo)準(zhǔn)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(cuò)位而消除等特點(diǎn)。安裝時(shí),通常通過(guò)錐面配合 而進(jìn)行徑向預(yù)緊或?qū)⑤S承初始工作游隙調(diào)整為零。
　　20 世紀(jì)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(yù)載荷組配, 軸的熱變形可由后支承的圓柱滾子軸承消除。從理論計(jì)算看,在相同截面尺寸下,支承結(jié)構(gòu)的主軸徑向剛度是普通車床主軸的50% 左右(以軸端撓度計(jì))。然而實(shí)際情況并非如此, 這是由于普通車床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(yù)緊難以掌握等問(wèn)題, 實(shí)際剛度比理論計(jì)算 要低; 而早期數(shù)控機(jī)床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(yù)緊量和組配是預(yù)置的,處于最優(yōu)狀態(tài),保證了其有確定的剛度。
　　數(shù)控車床電主軸支承的典型配置形式其前支承配置與早期數(shù)控機(jī)床相同，后支承采用雙聯(lián)角接觸球軸承,按輕載荷配對(duì), 適用于高速切削。這種支承配置方式的電主軸,如用脂潤(rùn)滑,d m.n值可達(dá) 10 *1 10的6次方mmr/mi n; 如用油氣潤(rùn)滑, dm.n值可達(dá)1.3 *10的次方6mmr/m in 。采用這種配置的主軸由于前、后支承完全處于預(yù)緊狀態(tài), 因此配合易引起附加載荷,機(jī)床熱平衡前主軸快速溫升引起的附加載荷往往難以計(jì)算、預(yù)測(cè)與控制,溫升引起的附加軸向變形也無(wú)法消除, 為此, 座孔與軸承外圈一般選擇微間隙配合, 預(yù)緊則采用柱形彈簧或液壓擋邊進(jìn)行 定壓預(yù)緊, 以消除溫升附加軸向力。
　　隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展,機(jī)床行業(yè)對(duì)精密軸承的要求也越來(lái)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(zhǎng)壽命等方面。因此, 需要生產(chǎn)加工企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、材料應(yīng)用和制造工藝等多方面予以改進(jìn)和創(chuàng)新,提高產(chǎn)品質(zhì)量, 推進(jìn)精密機(jī)床軸承的技術(shù)發(fā)展。