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1、机床用滚动轴承的机床用滚动轴承的结构特点及其应用结构特点及其应用姜韶峰洛阳轴承研究所洛阳轴研科技股份有限公司前言：洛阳轴承研究所是原国家机械工业部直属、轴承行业唯一的国家一类综合性研究机构，全国首批具有进出口权的百家科研院所之一。多年来，在轴承行业始终保持着轴承设计理论、产品开发、应用技术、电主轴、工艺装备、精密仪器、试验技术、材料研究以及行业信息等综合优势，占据着国内航天、航空、高速精密机床轴承、电主轴、轴承成套用磨削超精设备、机电一体化轴承专用检测仪器等技术领域的领先地位，是中国轴承行业相关技术创新的龙头和重要基地。国家轴承质量监督检验中心、全国滚动轴承标准化技术委员会、中国轴承工业协会技
2、术委员会均挂靠在本所。另外，机械工业高速精密轴承工程研究中心和军品轴承技术开发中心也设在该所。20世纪70年代中期，洛阳轴承研究所在国内首次试制成功高速精密机床主轴用角接触球轴承，填补了国内空白并开始替代进口。多年来，本所研制生产的高精密轴承广泛地应用于航天、航空、航海、机床、纺织、铁路、汽车、轧机及其它行业。洛阳轴研科技股份有限公司挂牌于2001年11月22日，是以洛阳轴承研究所为主发起人成立的一家股份制公司。公司自成立之日起就充分发挥自身的技术优势，积极推进科技成果的商品化、产业化，坚持以科研为先导、市场为导向、产业为支柱，走科、工、贸相结合的道路，确立了立足于中国轴承工业，发展高新技术的
3、目标，努力实现跨越式发展。以下就针对机床用滚动轴承的类型及特点、轴承的尺寸系列、精度、刚度、极限转速、基本额定寿命、预载荷及极限轴向载荷、轴承的润滑、轴承的配合、轴承的组配、轴承的装卸和调整、轴承允许的工作温度、轴承应用实例等方面进行简单介绍：一机床用滚动轴承的类型及特点 滚动轴承在机床上的使用主要用于主轴、滚珠丝杆及一般传动轴三个部位。装于一般传动轴上的轴承，其要求和选用原则与普通机械传动轴轴承无异。因此，通常我们所说的机床轴承即指机床主轴轴承和滚珠丝杆轴承。机床主轴常用角接触球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承和圆锥滚子轴承等类型。如下图：角接触球轴承角接触球轴承圆柱滚子轴承双向推力
4、角接触球轴承双向推力角接触球轴承圆锥滚子轴承角接触球轴承可承受径向载荷和一个方向的轴向载荷，在承受径向载荷时，将引起轴向分力，因此，角接触球轴承总是与承受反方向轴向载荷的轴承匹配安装。机床主轴用角接触球轴承的接触角多为15和25两种，其中15接触角用于转速较高、轴向载荷较小处。圆柱滚子轴承中滚子和滚道为线接触，该轴承能承受较大的径向载荷。由于圆柱滚子轴承内外圈可分离，故不能承受轴向载荷。圆柱滚子轴承有单列和双列之分，内孔分圆柱孔和带1:12锥度的圆锥孔。其中，精密机床主轴最常见的圆柱滚子轴承为内孔带1:12锥度的双列圆柱滚子轴承NN30K(旧代号3182)系列，该轴承需要与承受轴向载荷的双向推
5、力角接触球轴承2344(旧代号2268)或2347(旧代号2268K)系列组合使用，该轴承最显著的优点之一就是，即使安装后也可调整内部游隙。双向推力角接触球轴承由两个轴圈、一个座圈、一个隔套、两套滚动体与保持架组件组成。修磨隔套的厚度即可调整轴承的预紧。轴承的公称接触角为60，可承受较大的双向轴向载荷，轴向刚度高。该轴承的公称外径和与其配套的双列圆柱滚子轴承的外径相同，但其偏差较小，故与箱体孔的配合有一定间隙。因此。双向推力角接触球轴承不能承受径向载荷。随着数控机床高速化的发展，双向推力角接触球轴承其转速性能有时可能不能满足数控机床高速化的需求，这时可用两套背靠背、接触角为30或40的角接触球
6、轴承组替代。滚珠丝杆轴承即指60接触角的单向推力角接触球轴承，该轴承能承受较大的单一方向的轴向载荷，同时也可承受一定的径向载荷，滚珠丝杆轴承常常需组配使用，该轴承结构特点为高的轴向刚度、高转速、低摩擦、长寿命以及瞬时高低速转换性能好等。滚珠丝杆轴承二、轴承的尺寸系列机床主轴用高速角接触球轴承常用尺寸系列18、19、(1)0、(0)2、对相同内径的轴承，18、19、(1)0、(0)2四个尺寸系列轴承的外径依次增大。精密机床主轴主要根据刚度和转速来选择支承轴承，然后再根据需要考虑其它因素，如承载能力、抗振性、噪声等，相同的安装空间，(1)0、19、18尺寸系列的轴承允许的轴径依次增大，另外，轻系列
7、的轴承虽然球径较小，但安装的球数多，同样保证轴承具有较高的刚度。较小球径的轴承由于产生的离心力小，因而允许的转速也高。所以，从刚度和转速两方面来考虑，精密机床主轴轴承宜选用(1)0、19、18尺寸系列，但由于18系列轴承壁薄、加工难度大，除非特殊场合，一般很少采用。故高速精密机床主轴最常见的角接触球轴承为(1)0、19尺寸系列。7270719718精密机床主轴用圆柱滚子轴承常见的是单列N10型(旧代号2100)和双列NN30型(旧代号3182100)尺寸系列、并且内孔带1：12的锥度。双向推力角接触球轴承常用2344和2347两个尺寸系列，其中，2344系列用于同圆柱滚子轴承圆锥孔小端配合、2
8、347系列用于大端。主轴用精密圆锥滚子轴承常用320(旧代号2007100)，也有用329(旧代号2007900)系列。滚珠丝杠用轴承常用标准公制尺寸系列7602和7603，也有用非标公制BS及英制尺寸BSS系列。三、精度轴 承 的 精 度 一 般 分 为 P0(G)、P6(E)、P5(D)、P4(C)、（P4A）、P2(B)等级别，精度等级依次升高。精密机床轴承的精度一般用P5及其以上级，高速精密主轴用角接触球轴承及滚珠丝杆轴承常选P4及其以上级，双列圆柱滚子轴承及双向推力角接触球轴承常用SP及UP级两种特殊精度。四、刚度轴承抵抗在外载荷作用下变形的能力称为轴承的刚性，用刚度来表示。轴承滚动
9、体与滚道间在无载荷时的接触有点接触和线接触两种，不论何种接触，接触面积总是随载荷的增加而增大，但相接触的两物体间的趋近是不与载荷成线性关系，也就是说，轴承的刚度不是一个常数，它随着载荷的改变而有所变化。一般来说，随着载荷的增加，轴承的刚度也有所增加。当径向载荷作用于轴上时，轴端的变形主要由轴的弯曲引起，但支承轴承内部的变形也不容忽视。单个轴承的刚度取决于以下几个因素：(1)、滚动体的形式；滚子轴承中滚动体与滚道之间为线接触，而球轴承是点接触。因此，在给定载荷作用下，滚子轴承中的变形要比球轴承小一些，即滚子轴承的刚度要高一些。(2)、滚动体的尺寸和数量；尺寸大、数量多对提高轴承的刚度有利，但由于
10、受轴承横截面积大小的限制，滚动体的尺寸与数量必须有一最佳匹配。(3)、滚动体的材料；材料的弹性模量大，相应的变形量就小，刚性就好。因此，采用陶瓷球的轴承，其刚度就比采用钢制球的同结构轴承要高。(4)、轴承的接触角；对角接触球轴承，接触角越大，轴向刚度越高。(5)、轴承的预载荷；一般情况下，预载荷越大，轴承的刚性越好，但预载荷过大，轴承易产生过热、卡死或者过早磨损等现象，因此，轴承的预载荷要适当。总之，对角接触球轴承，为提高轴向刚度，应尽可能采用双联或三联、四联等多联配置方式。五、极限转速滚动轴承的极限转速是指轴承在一定的工作条件下达到所能承受的最高热平衡温度时的转速值。ZYS精密滚动轴承样本给
11、定的极限转速适于以下情况：(1)、轴承精度；角接触球轴承和滚珠丝杆轴承为P4级，圆柱滚子轴承及双向推力角接触球轴承是SP级，圆锥滚子轴承的精度是P5级。（2）、单套轴承，轻预载。（3）、正常安装，轴承与轴和座的配合合适，旋转零件动平衡。（4）、脂润滑时采用合适的润滑脂，脂量适中。（5）、油润滑时润滑油性能优良、粘度合适、油量充足。（6）、轴承不可过载，且在正常的工作温度下旋转。样本中给定的极限转速值是指理想状态下的最高转速，由于轴承在使用过程中受多种条件的限制和制约，轴承的实际极限转速可能要低于样本给定值。滚动轴承的极限转速取决于轴承的结构类型、尺寸系列、尺寸大小、保持架结构和材料、滚动体材料
12、、轴承精度、内部游隙、冷却措施、配合轴和座的精度以及轴承的组配方式和预紧大小等。当考虑精密机床轴承的极限转速时，主要应注意以下几个影响因素：(1)、轴承精度；(2)、轴承材料；(3)、润滑方式；(4)、预紧大小；(5)、组配方式。样本中给定的轴承的极限转速是指单套轴承在理想状态下的最高转速，实际应用中应乘如下转速降低系数。极限转速降低系数组配方式预载等级公差等级245DTABC0.990.880.700.900.800.650.810.720.58DB、DFABC0.880.770.600.800.700.550.720.630.50TBTTFTTTABC0.770.600.380.700.5
13、50.350.630.500.31QBT、QBCQFT、QFCQTABC0.710.500.270.650.450.250.580.400.22六、基本额定寿命对于单套滚动轴承或一组在同一条件下运转的近于相同的滚动轴承，其基本额定寿命是与90%的可靠度、常用的材料和加工质量以及常规运转条件相关的寿命。成组角接触球轴承的基本额定寿命L10为（百万转）或（小时）圆柱滚子轴承，其基本额定寿命为（百万转）或（小时）式中：一组轴承中轴承套数单套轴承的径向额定动载荷（N）单套轴承的径向当量动载荷（N）轴承转速（r/min）对于滚珠丝杠球轴承和双向推力角接触球轴承，计算其寿命时要采用轴向载荷。1.角接触球轴
14、承的径向当量动载荷PrPr=XFr+YFa式中：X、Y载荷系数，见下表Fr、Fa轴承外加径向、轴向载荷（N）2.圆柱滚子轴承的径向当量动载荷Pr=Fr3.滚珠丝杆球轴承及双向推力角接触球轴承主要承受的是轴向载荷Fa，因此，该轴承的轴向当量动载荷Pa=Fa。角接触球轴承载荷系数X和Y值接触角Fa/CoreFa/FreFa/FreXYXY150.0150.0290.0580.0870.1200.1700.2900.4400.5800.380.400.430.460.470.500.550.560.561111111110000000000.440.440.440.440.440.440.440.4
15、40.441.471.401.301.231.191.121.021.001.00250.68100.410.87需要注意的是：对精密机床主轴轴承，在高速旋转时，由于离心力和陀螺力矩的作用，导致滚动体与套圈沟道过早磨损，使得轴承精度丧失。另外，由于轴承润滑不良或使用不当，也会破坏轴承的精度。轴承精度的丧失满足不了主轴的精度要求，即认为轴承寿命已到。因此，主轴轴承的使用寿命就是指精度寿命，又称磨损寿命，而不是指疲劳寿命。一般认为，轴承的疲劳寿命越大，其精度寿命也越大。七、预载荷及极限轴向载荷精密滚动轴承在工作时一般要施加一定的预载荷，主要目的是：1使旋转轴在轴向和径向正确定位，提高轴承的旋转精度
16、。2提高刚度。3控制高速下滚动体的自旋滑动，减少滚动体的公转打滑。4提高轴承阻尼，降低振动和噪声。5提高轴承使用寿命。滚动轴承的预紧分轴向预紧和径向预紧。角接触球轴承、滚珠丝杠球轴承以及双向推力角接触球轴承采用轴向预紧的预紧方式；而圆柱滚子轴承则采用径向预紧的方式。角接触球轴承采用轴向预紧时，按照施加预紧载荷的方式又分为定位和定压两种预紧。定位预紧的轴承在使用过程中支承间的相对位置固定不变。角接触球轴承高速旋转时，由于离心力的作用，滚动体有“外抛”的趋势，从而使得轴承内外套圈之间有轴向相对移动的倾向。但由于其位置已相对固定，因此离心力的作用导致轴承预紧力加大，摩擦发热加剧。另外，工作温度的变化
17、会引起轴及轴承座尺寸以及两支承间定位部件尺寸的变化，这也会影响到轴承的预紧状态。所以，采用定位预紧方式时应注意预载荷的变化对轴承工作性能的影响，定位预紧常用于刚性要求较高的场合，例如用于车床和加工中心等切削型主轴上。定压预紧是利用螺旋弹簧、蝶形弹簧等预紧装置，使轴承在支承部位得到合适的预紧。由于弹簧预紧的刚性比轴承的刚性小的多，因此，经定压预紧后的轴承，其相对位置在使用过程中会有所变化，但这微小的变化会被弹簧的伸缩变形吸收，从而避免了轴承预载荷的增加，所以，定压预紧有利于轴承的高速旋转。但外部载荷引起的弹簧变形却对轴承刚性的提高极为不利。故，定压预紧适用于各种载荷较小、高速旋转的磨削主轴和高速
18、、轻切削的专用机床主轴。定位预紧定压预紧适当的预载可以提高轴承的旋转精度和刚性，但预载荷过大，不仅使轴承的发热加剧，增加了烧伤的可能性，而且也会降低轴承的使用寿命。因此，应合理选择预载荷。轴承的最佳预载荷应根据其工作转速、外加载荷、润滑方式，并结合以往经验，通过反复试验确定。机床主轴用高速角接触球轴承在组配时一般采用轻、中、重三种预载等级，如果用户有特殊要求的预载荷，轴承制造厂也可专门制造。机床主轴轴承的温升是有一定限制的，因此，预紧力的选择应遵循下列原则：机床载荷大、刚度要求高、转速较低或允许的温升较高时（如普通精度级机床），应选择大的预紧力；反之，则选择小的预紧力。一般地说，重预紧用于低速
19、、要求高刚度的场合，如齿轮和螺纹加工机床的分度轴；中预紧用于中等转速、中等载荷的外圆磨床、螺纹磨床、齿轮磨床、精密车床、加工中心等主轴；轻预紧则用于高速、轻载或允许温升较低的精密、高精密机床主轴，如内圆磨床、坐标镗床、精密及高精密加工中心等。以上对预紧力的分析都是宏观的、定性的，若要确定轴承的最佳预紧力，则必须考虑轴承的实际工况条件，如转速、外载荷、允许温升等。对一般转速（轴承的dmn值小于或等于6105mmr/min）的机床，可以根据轴承所承受的外加轴向载荷确定轴承的预紧力。组配轴承的最小预紧力是指在外加轴向载荷作用下，不受载一侧的轴承刚刚达到卸载，即该轴承的滚动体与套圈滚道之间处于游动状态
20、。几种常用组配轴承的最小预紧力Fa0min与外加轴向载荷Fam的关系如下表：组配结构图Fa0minFa0min=0.35FamFa0min=0.35FamFa0min=0.24FamFa0min=0.48FamFa0min=0.35FamFa0min=0.35FamFa0min=0.19FamFa0min=0.56Fam八、轴承的润滑轴承的润滑就是利用润滑剂在滚动表面或滑动表面形成一层薄的油膜，防止或减轻套圈、滚动体以及保持架之间直接接触，从而达到减少摩擦、磨损，延长轴承的使用寿命的目的。另外，润滑剂还可起到防止轴承锈蚀，降低轴承振动、噪声，冷却轴承以及防止外部异物的侵入等作用。轴承润滑方式的
21、选择与轴承的转速、载荷、容许温升及轴承类型等有关。脂润滑的特点是润滑剂粘附力强、使用方便、维护简单，无需经常添加和更换润滑剂。但其摩擦阻力要比油润滑时大。滚动轴承最常用的润滑脂是以矿物油作为基础油的锂基脂，该脂具有良好的附着性，并在较大的温度范围和转速范围内均有良好的润滑作用。对高速精密轴承也可采用以合成双脂润滑油为基础油的复合钡基脂。滚动轴承中不宜过多地充填润滑脂，否则，脂因搅拌发热发生熔化、变质而丧失润滑作用。轴承的填脂量应根据轴承的类型、尺寸和工作转速等确定。中低速轴承的润滑脂填充量以填满轴承内部自由空间的25%50%为宜，而对高速精密机床轴承则根据轴承的转速情况推荐为15%25%。脂润
22、滑轴承在工作初期必须先进行跑合，经过跑合，过量的润滑脂强制进入轴承滚道，使轴承内的润滑脂均匀分布，并可保证在轴承正常工作时热平衡温度最低。跑合从低速（如最高转速的一半）开始，当达到稳定温度时再提高转速，直至达到轴承的最高转速并且温度稳定为止。从开始运转到出现润滑脂失效的轴承运转累计时间数，称为润滑脂寿命。润滑脂寿命的计算方法推荐如下：式中：t润滑脂寿命（h）nmax轴承极限转速（r/min）n轴承工作转速（r/min）T轴承工作温度（）对机床主轴用角接触球轴承，其润滑脂寿命应再乘系数30%50%。润滑脂应在一定时期内补充和更换。补充润滑脂时，应注意不同种类的润滑脂不能混合使用，否则会使脂的性能
23、下降。换脂时应将旧脂清洗干净。常用的油润滑方式有油浴、滴油、飞溅、循环、离心、油雾、油气、喷射和环内润滑等。其中高速精密机床用滚动轴承（即dmn值大于0.9106mmr/min）的油润滑常采用油雾润滑、油气润滑、喷射润滑和环内润滑等方式。九、轴承的配合滚动轴承与轴和座配合时必须在径向、轴向和周向三个方向得到不同要求的定位和固定。轴承的轴向定位通常由螺母、轴肩、端盖、隔套、弹性挡圈或者相邻零件端面等来实现。轴承的径向和周向一般由轴承的内径和轴，外径和轴承座的配合来实现。对高速精密主轴轴承，为保证其良好的尺寸精度和旋转精度，应避免过大的过盈配合，以防止因过盈量大套圈变形，使得轴承精度丧失。另一方面
24、，对dmn值大于1.0106mmr/min的高速轴承，如果内圈与轴的配合不合适，当轴承高速旋转时，因离心力的作用，内圈向外扩张，引起内圈与轴之间间隙增大，可能会导致二者之间发生蠕动、摩擦、磨损等问题。因此，对高速精密主轴轴承的配合情况必须给予特别关注。十、轴承的组配为了提高轴承的承载能力和刚度，角接触球轴承通常采用两个或多个轴承组配使用。轴承双联配置的形式有背靠背（DB型）、面对面（DF型）以及串联（DT型）三种，其结构示意图如下：DB型DF型DT型双联轴承配置的特点配置形式代号特点背靠背DB1对称安装；2能承受径向载荷；3能承受两个方向的轴向载荷；4能承受较大的倾覆力矩。面对面DF1对称安装
25、；2能承受径向载荷；3能承受两个方向的轴向载荷；4承受倾覆力矩的能力较差。串联DT1两套轴承相同；2同向排列；3能承受径向载荷；4能承受一个方向较大的轴向载荷。多联组配轴承结构示意图：除上述固定组配形式外，角接触球轴承还有万能组配形式，即两个万能组配单套轴承可以组成背靠背（DB型）、面对面（DF型）或串联（DT型）任一形式。但万能组配的单套轴承除满足一般的组配轴承的技术要求外，还必须保证单套轴承内外套圈两端的凸出量相同。因此，其技术含量高，加工难度大。十一、轴承的装卸和调整精密机床用滚动轴承属精密零部件，在装卸和调整过程中，它对不适当的操作特别敏感。如果安装方法不得当，就可能损伤轴承及破坏轴承
26、精度。如果调整不合适，也会出现精度差、刚度低、温升过高或抗振性差等现象。因此，要做到机床轴承的正确安装及调整，应了解由于不正确的安装及调整而引起的不良后果，须严格制定并遵守操作规程，备齐良好的测量工具和装卸用胎具、工具等。将轴承装到主轴上常用的方法有以下几种：（1）利用手锤及套筒；（2）利用压力装置；（3）利用温差；（4）在配合面间注入压力油。以下为常见的基本装卸方法简图：机床主轴轴承，根据机床的类型、转速、精度和刚度要求，规定其游隙或预紧。轴承的游隙或预紧对主轴组件的工作性能有重要影响。因此，必须有调整环节。调整工作是在主轴组件装配时完成的。圆锥孔双列圆柱滚子轴承的径向游隙调整是通过轴承内圈
27、在锥轴颈上的轴向移动量来控制的。其方法有经验法、计算法、测量仪器直接控制法等。计算法介绍如下：式中：Ba轴承内圈相对于轴的轴向移动量（mm）；e轴承系列系数，（见下表）；c轴承游隙减小量（m），如，原始径向游隙为10m，若 要 求 过 盈 2m，则c=12m直径比di/dm系数eNN30K、N10KNNU49K、N19K0.212.512.00.314.513.00.415.014.00.516.015.00.617.016.00.718.017.0十二、轴承允许的工作温度轴承的工作温度与轴承的材料、预载荷、工作载荷、转速、润滑方式、冷却方式以及环境温度等有关。通常情况下，载荷越大、转速越高、
28、脂润滑的轴承，其工作温度就越高。一般情况下，保持架由酚醛层压布管或尼龙材料制造的滚动轴承，其允许的工作温度不宜超过120，其它由铜或铝合金保持架制造的轴承则其允许的工作温度可达150。十三、轴承应用实例车床主轴（高速型）(TBT+DB)车床主轴（高刚度型）(TBT+NN)内圆磨床主轴(DT+DT)精密镗床主轴(NN+2344)+NN)铣床主轴(NN+2344)+NN)滚动丝杠(DF+N)磨外圆主轴(QBC+DB)滚动丝杠(QFC+QFC)十四、结束语现代数控机床正向着高速化、精密化、柔性化和系统化方向发展。其中高速加工不仅可以大幅度提高零件的加工效率、缩短加工时间、降低生产成本，而且还可以使零
29、件的表面加工质量和精度达到更高水平。轴承是关系国民经济发展的关键机械基础件，其技术水平的高低和产品质量的好坏对主机的性能和质量有着重要影响，被誉为机械装备的“关节”。主轴及滚珠丝杠用超精密轴承作为机床的基础配套件，对整个机床的加工性能和产品质量起着举足轻重的作用，已成为制约机床工业快速发展的主要因素。轴承的性能直接影响到机床的工作转速、进给速度、回转精度、刚性、抗颤振切削性能、噪声、温升及热变形等，进而影响到加工零件的尺寸精度、表面质量等。因此，高性能的机床必须配用高精密的轴承。不断提高机床的精度、转速、刚度和可靠性是一个长期的技术课题。而采用陶瓷球轴承是解决这些问题的有效措施之一。由于受相关技术及加工装备的限制，目前，机床主轴用陶瓷球轴承主要指滚动体采用Si3N4陶瓷材料，套圈仍采用高性能轴承钢制造的混合陶瓷球轴承。随着数控机床产业化的迅猛发展，陶瓷球轴承必将得到越来越广泛地应用。谢谢诸位！