數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元

陳慶熙

（中山市盈科軸承制造有限公司，廣東中山 528437）

0 引言

滾珠絲杠副作為精密、高效、靈敏的傳動元件，將旋轉運動轉換成線性運動，用較小的轉矩獲得很大的推力，除了必須擁有高精度的絲杠、螺母和滾珠外，其功能、精度及可靠性直接影響機床線性伺服進給系統(tǒng)進給軸插補運行平穩(wěn)性、定位精度、噪聲及臨界轉速Nc，也即直接影響機床加工精度和效率。

絲杠支撐軸承是數(shù)控裝備伺服驅動系統(tǒng)的核心零件，其性能直接影響最終的數(shù)控實現(xiàn)效果。本文通過分析現(xiàn)有絲杠支撐軸承結構及其組配、安裝方式，提出數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元化設計理念，并進行軸承主參數(shù)優(yōu)化設計和預載間隙優(yōu)化設置。

1 現(xiàn)有絲杠支撐軸承及其組配方式

常見的機床絲杠支承方式多以兩套或多套單列推力角接觸球軸承組合使用，利用各軸承受力與承載特點分擔所受載荷并獲得組合剛度。軸承或軸承組需通過軸承座與機床連接并設置專門密封、潤滑裝置進行給油維護和防塵、密封（圖1），其結構復雜，軸承選配技術要求高、軸承座孔加工難度大，組合安裝精度不易保證。

圖1 現(xiàn)有軸承結構及與機架連接方式

2 功能集合型數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元

數(shù)控加工中心滾珠絲杠系統(tǒng)中，絲杠支撐軸承主要承受雙向軸向載荷和傾覆力矩，根據(jù)其功能需求及安裝應用特點，在滿足軸承剛度、精度及可靠性要求前提下，將軸承與軸承座、密封裝置、再潤滑油路等進行功能整合，設計成帶法蘭安裝孔、密封與再潤滑裝置和拆卸嵌卡槽的單元型數(shù)控加工中心絲杠專用軸承（圖2），可實現(xiàn)軸承安裝、潤滑、密封、維護一體化功能集合。

2.1 外圈功能化組合設計

（1）增厚軸承外圈并在其上設置若干沿周向均勻分布的軸向法蘭安裝通孔、通過安裝孔可使用螺栓將軸承單元直接安裝在機床機架上及進行徑向對心微調，不需要專門軸承座。結構簡單，占位空間小，安裝使用方便。

（2）遠離安裝平面一端的軸承端面和外徑上，設置有彼此相通且相互垂直的油嘴孔及貫穿外圈內壁與密封、潤滑空間相連的注油孔，可定期使用喂脂器械經(jīng)油嘴孔向軸承內部喂給新鮮油脂，補充摩擦發(fā)熱對油脂的消耗。

（3）在靠近軸向喂脂通道端的外徑上制成一條周向拆卸槽，便于維護嵌卡。

2.2 內部主體結構設計

（1）主體形式為雙列結構，一套軸承單元相當于兩套單列軸承組合、兩套軸承單元相當于四套單列軸承組合，有效提高支承剛度的同時，大幅降低機床制造企業(yè)軸承選配難度。

（2）兩獨立內圈小端相對且預留預載間隙，間隙值依據(jù)負載與鋼球和套圈滾道間接觸變形關系優(yōu)化設定，安裝時只需按力矩要求旋緊鎖緊螺母即可實現(xiàn)準確預載，獲得適合剛性，相對于現(xiàn)有使用螺母和端蓋分別壓緊軸承內外圈的安裝方式，方便且預緊力準確。

（3）內部雙列結構按兩套單列推力角接觸球軸承背靠背安裝的“O”型配置，可雙向承載。

（4）軸承單元設計成獨立預潤滑密封單元，可預注及適時補充潤滑脂，替代傳統(tǒng)應用中附加密封、潤滑裝置。

圖2 功能集合型軸承單元與安裝方式

2.3 主參數(shù)優(yōu)化設計

功能組合設計有效增大了軸承截面尺寸，令增大鋼球直徑Dw、球數(shù)Z和球組中心圓直徑Dwp成為可能。應用擬靜力學理論建立數(shù)學模型，優(yōu)化軸承結構主參數(shù)，在滿足一定約束條件下使軸承額定動載荷盡可能大[1]。

（1）建立目標函數(shù)

（2）設定約束條件

（3）應用計算機輔助設計手段，通過局部網(wǎng)格法進行優(yōu)化篩選，挑選滿足Cr最大的Dw、Z和Dwp最佳點。

bm——當代常用材料載荷系數(shù)；

Fao——軸承單元預載荷值；

Cr——軸承徑向基本額定動載荷；

Ga——軸承軸向游隙；

d——軸承內徑；

K2e——軸承外圈擋邊高系數(shù)；

D——軸承單元當量外徑；

K2i——軸承內圈擋邊高系數(shù)；

Dw——鋼球直徑；

Kw——鋼球直徑系數(shù)；

Dwp——鋼球組中心圓直徑；

Kz——鋼球數(shù)量系數(shù)；

fc——額定載荷材料系數(shù)；

Z——鋼球數(shù)量；

fe——軸承外圈溝曲率系數(shù)；

α——軸承接觸角；

fi——軸承內圈溝曲率系數(shù)；

δ——軸承單元預載間隙。

2.4 結構參數(shù)選取

（1）接觸角

接觸角是角接觸球軸承的重要設計參數(shù)，是軸承內部載荷分布、運動關系、摩擦、潤滑等的重要影響因素[2]。絲杠軸承承受徑向、軸向或力矩聯(lián)合載荷作用時，其內外套圈會產生徑向、軸向相對位移和相對傾角，這種彈性位移量的大小將對機床定位精度產生重要影響，反映了支承軸承剛度性能指標[3]。圖3接觸角、軸向變形與軸向載荷關系曲線顯示，軸承原始接觸角越大，承載后接觸角變化越小，軸向變形也越小，軸承的軸向剛度越高[3]。

圖3 接觸角、軸向變形與軸向載荷關系曲線

考慮絲杠支撐軸承“軸向力+力矩聯(lián)合載荷”及1 800～4 000 r/min非高速應用工況，選取軸承接觸角α=60°。

（2）溝曲率系數(shù)

軸承內、外圈溝曲率系數(shù)直接影響角接觸球軸承鋼球與內、外圈的接觸應力與接觸變形[4]。絲杠軸承承受軸向中心載荷時各滾動體負荷分布接近[3]，溝曲率系數(shù)可稍大于通用角接觸球軸承，以減小摩擦、提高靈活性。同時內外溝道等密合度設計具有較小的軸向跳動和變形量，取值fi=fe=0.525。

（3）擋邊高系數(shù)

設計中選取 60°大接觸角以擁有較高軸向剛度，為避免出現(xiàn)鋼球與滾道間形成的接觸橢圓被擋邊邊緣截斷（圖4），產生應力集中，發(fā)生過早疲勞失效。依據(jù)接觸角分析計算結果，擋邊高系數(shù)選取為：

圖4 接觸橢圓

2.5 預載間隙優(yōu)化

絲杠支撐軸承裝配精度直接影響機床進給系統(tǒng)傳動精度，除了絲杠副本身的剛度外，絲杠支撐軸承的精度及其安裝調整同樣至關重要[5]。多套單列軸承組配情況下，如各軸承間接觸角、預負荷相差較大，將影響整個絲杠副的重復精度，喪失數(shù)控機床加工精度的重要性能。本技術軸承單元為雙列結構，不需與其它軸承組配即可單獨使用并具有較高剛度和負載能力，但前提是軸承裝配時必須嚴格地對內、外圈進行優(yōu)選組配。

（1）選配接觸角

通常角接觸球軸承接觸角公差為±3°，絲杠支撐軸承單元在α1、α2滿足該要求的同時，同一軸承兩接觸角相互差須控制在2°以內（圖5）。

圖5 接觸角

（2）預載間隙優(yōu)化

如圖6所示，當預載荷通過預緊螺母施加于兩內圈后，兩內圈向中心移動，各自位移量達到δ/2時，間隙消失，兩內圈小端面接觸，軸承單元得到預載荷Fa0[6]。因此，δ值大小直接影響預緊力施加準確性，也即影響所獲得的剛度。

圖6 軸承位移

間隙設置方法：

1）測量合套后軸向游隙Ga；

2）按規(guī)定預載荷值施壓并測量加載后軸向位移δ/2；

4）按計算所得Δ值分別修磨兩內圈后組裝。

用戶使用時，只需按推薦力矩鎖緊螺母，即可獲得設計的預載荷值。

表1 軸承單元代表型號性能對比

3 軸承性能對比分析

應用本文介紹的技術方法，結合厚壁軸承套圈防淬裂及整體淬透性熱處理、大展開長度多曲面精密復合磨削、安裝法蘭孔精整等工藝實踐，令產品精度壽命、軸向剛度、預載精度、軸向跳動等多項性能較之現(xiàn)有技術具有明顯優(yōu)勢，代表型號分析對比結果如表1所列。

4 結束語

本文提出的數(shù)控加工中心絲杠專用軸承單元化設計技術，順應了精密數(shù)控裝備關鍵功能部件單元化、組合化、通用化發(fā)展趨勢并創(chuàng)益于配套主機功能，在大幅提高滾珠絲杠支承剛度，滿足主機對絲杠支撐軸承精度、性能、質量和可靠性要求前提下，實現(xiàn)了安裝、潤滑、密封、維護一體化功能集合?？蔀閿?shù)控加工中心和電子制造裝備、木工機械、成型機械等數(shù)控裝備提供可靠的功能化核心基礎部件，緩解長期依賴進口局面，突破精度限制。同時降低機床制造企業(yè)軸承使用難度，減少用工成本。

［1］T.A.Harris著.羅繼偉等譯.滾動軸承分析［M］.北京：機械工業(yè)出版社，1997.

［2］洛陽軸研科技股份有限公司.角接觸球軸承優(yōu)化設計［Z］.2006.

［3］張宏柱，汪世益.數(shù)控機床滾珠絲杠軸承的支承剛度分析［J］.制造技術與機床，2008（4）：160-162.

［4］李有堂，劉辭英，劉書巖，等.深溝球軸承內、外溝曲率系數(shù)對接觸應力和變形的影響［J］.蘭州理工大學學報，2010（5）：32-33.

［5］徐贊，王景曉，徐公志.數(shù)控機床滾珠絲杠和滾動軸承的預緊方法［J］.金屬加工：冷加工，2011（11）：53-54.

［6］日本精工株式會社.精密滾動軸承［Z］.日本：2003.