角接觸球軸承隔圈的尺寸控制

黃 波

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州 545007）

0 引言

數控機床對精度輸出要求較高，而主軸作為主要動力輸出源，其性能和輸出精度直接影響了數控機床的加工精度、旋轉速度、承載能力及加工能力等關鍵參數，決定了機床的最終產品質量。主軸的性能精度絕大部分來自于主軸軸承的裝配質量，其裝配質量直接影響著主軸的性能精度和使用壽命。而對軸承裝配質量影響最大的因素則主要是軸承間的調整隔圈的尺寸控制。

在高速主軸-軸承系統中，軸承內圈與主軸采用過盈配合進行連接。一方面其結構簡單；另一方面可以使得定心精度較高。然而，過盈配合量大小的選取與主軸系統所處的加工工況如主軸轉速、切削力、切削速度等有關，隨著機床主軸加工工況的改變，在離心效應和熱效應等因素的綜合影響下，主軸和軸承內圈均會發生變形，導致二者連接狀態發生改變，進一步影響軸系的加工性能。過盈量選取過大往往會使得主軸與軸承的裝配困難，甚至導致二者配合面的損傷。而過盈量選取過小又會造成主軸與軸承的松脫，引起配合面打滑，導致軸系振動、溫升增大等問題。因此，需要對主軸軸承隔圈過盈量的定量選取進行研究。

1 角接觸球軸承安裝型式

角接觸球軸承的安裝型式，主要分為：背對背、面對面和串聯排列三種（圖1）。從外觀上看，角接觸球軸承的外圈，呈現一邊厚，一邊薄的現象。厚的一邊稱為“背”，而薄的一邊稱為“面”。

圖1 角接觸球軸承的安裝型式

（1）背對背（兩軸承的厚端面相對）：該型式安裝時，軸承的接觸角線呈沿轉軸線方向擴散的狀態，故而增加了軸承的徑向和軸向支承角度剛性，抗變形能力在三種型式中最大。在工作時載荷作用中心處于軸承中心線外，承載力作用點跨距較大，故懸臂端剛性較大，當軸受熱拉伸時，軸承游隙將增大，軸承不易卡死損壞。

（2）面對面（兩軸承的薄端面相對）：該型式安裝時，軸承的接觸角線為朝轉軸線方向收縮狀態，軸承角度剛性較小。因軸承的內圈突出于外圈，兩軸承外圈壓緊在一起時，外圈的原始間隙消除，使得軸承的預加載荷增加。載荷作用中心處于軸承中心線之內，結構簡單、便于拆裝，但軸受熱延長時，軸承游隙變小，容易造成軸承卡死，所以對軸承游隙的調整要求較高。

（3）串聯排列（兩軸承的厚端面在一個方向）：該形式安裝時，軸承的接觸角線同向且平行，讓兩軸承承擔同一方向的工作載荷。但使用這種安裝型式時，兩對串聯排列的軸承必須在軸的兩端對置安裝，以此保證安裝的軸向穩定性。載荷作用中心處于軸承中心線同一側；它適合軸向載荷大，需要多個軸承聯合承擔。

鑒于上述的安裝形式分析，故精密主軸的軸承安裝多采用串聯排列+背靠背的組合形式，即前、后端各兩套軸承，以串聯排列形式安裝。前端與后端分別采用兩對串聯排列形式安裝的軸承，兩組軸承間在主軸上呈背靠背的形式安裝。這樣可使兩軸承分擔同一方向的工作載荷，減輕軸承的承載力，前、后端軸承采用背靠背的形式安裝，主軸軸承的接觸角線沿轉軸線方向擴散，可增加軸承的徑向和軸向的支承角度剛性，獲取最大的抗變形能力。

在高精密運轉條件下的使用場合中，主軸軸承的安裝均采用軸承預緊。軸承在零游隙甚至于一定程度下的負游隙使用場合運轉是最平穩的，此時軸承的剛度得到最有效的發揮，軸承運轉時的噪音也最低，所以應盡量保證軸承能在此狀態之下工作。

兩組角接觸球軸承在呈背靠背形式安裝時，需要在兩組軸承間加裝一組隔圈，為角接觸軸承加隔圈是為了實現軸承施加預緊的一種方法。根本目的在于提高軸承的剛性、另軸承達到理想的游隙，獲得最佳的工作狀態。通過對軸承中一個套圈的端面進行修磨，或用兩個厚度尺寸不同的隔圈裝配在一對軸承的內、外圈間，把軸承緊壓在一起，讓軸承滾珠與滾道緊密接觸，從而滿足最佳使用狀態或進行調整預加載荷的獲得最佳狀態。

軸承的配合安裝、運轉時溫度變化引起的變形等因素，軸承在加工時都會預留有一定的正向游隙。為了能在高精密運轉條件下的場合使用，在軸承及關聯部件配合安裝后，使用一定的措施來進行預緊力干預，對內外套圈的位置進行調節，來實現軸承游隙的調整，使得軸承工作時的游隙值為零或負值，于此保證高精密運轉下軸承平穩的運轉。

2 精密主軸裝配流程及工藝

組裝前先配隔圈，軸承配組后中間夾上隔圈，配好隔圈的尺寸，外隔圈要用15 N以上的力度能推動才最好。為此，隔圈的尺寸在整個裝配中對裝配后的精度其重要的作用。

如圖2所示，隔圈的尺寸包括：內、外隔圈的外、內徑尺寸，內、外隔圈的長度（高度）。

圖2 隔圈的尺寸

2.1 內、外隔圈的外、內徑尺寸要求

內隔圈內徑應略大于軸承內孔尺寸，約0.02～0.04 mm，過小則不利于安裝，過大則會出現內隔圈與軸承的同心度偏差大，因為內隔圈在安裝時不便于定位，故需要依靠內隔圈內徑與軸的外徑形成約束定位。而外隔圈外徑應略小于軸承外徑0.02～0.04 mm，過大則不利于安裝，過小則會出現外隔圈與軸承的同心度偏差大。厚度則各相應的略小于軸承外圈、內圈的厚度，控制在0.08～0.10 mm為宜。當隔圈與主軸本體的同心度過大的時候，在主軸轉動時，尤其是在高速狀態下，會產生離心力，造成了動不平衡現象，進而影響了主軸和軸承的旋轉精度。在以往的測試驗證中，可以發現，當隔圈與主軸同心度＞0.05 mm時，用手動轉動主軸檢測軸承跳動比隔圈與主軸同心度＜0.05 mm時，軸承旋轉跳動值要大0.005 mm～0.015 mm，說明隔圈與軸承不同心，不只是產生離心力的問題，還會因為軸承滾道和軸承滾珠的運動受力支撐受到了影響。所以，對隔圈與主軸的同心度的控制是必要的。

2.2 內、外隔圈的長度（高度）要求

合理的預緊量可以獲得最佳的預緊力，以此提高軸承精度，延長軸承使用周期。增加預緊力使滾道和滾珠之間在無外載荷的狀態下實現緊密貼合，當加載外載荷時，軸承的載荷與預緊載荷累加在一起，在滾珠在滾道上運轉時避免了浮動的現象，從而提高軸承的剛度。但過度預緊則會造成軸承滾珠和滾道的接觸應力增大，摩擦力增大，使軸承溫升提高造成軸承損傷，降低軸承使用周期。過小則無法滿足滾珠和滾道的確實緊密貼合，在轉動時出現浮動狀態，產生徑向跳動，影響主軸精度輸出。預加載荷的大小對軸承使用周期及精度輸出影響很大，通過內外隔圈厚度差異可以對軸承的預緊力進行調整[1，2]。據比對測試，軸承裝配時，采用0.012 mm～0.016 mm過盈量時，使用周期降低40%～50%左右。而當軸承裝配有0.004 mm間隙時，輸出精度顯著下降，有0.008 mm間隙時，輸出精度下降70%。因此，預加載荷的大小合理選擇，尤為重要[3，4]。

在高轉速工作狀態下，宜選用小的預加載荷，低轉速工作狀態下宜選用大的預加載荷。且在選擇預加載荷時，應稍大于或等于軸向工作載荷。

按圖3所示，用百分表分別測出各軸承內外圈的高度差值，計算確定內外隔圈尺寸數值，依據上述的預緊論證，確定最終隔圈的尺寸。

圖3 軸承內外圈高度差測量

用調節內外隔圈的厚度的方法來實現預緊，由于隔圈厚度L1=L+△故角接觸軸承內外隔圈之間產生了預緊力，所以內外隔圈要求平整，各隔圈的平行度應控制在0.003 mm內，并且與內外圓中心軸線保證垂直度。否則，將會造成軸承端面承載力不平衡，出現接觸面呈部分懸空狀態，導致懸空部分軸承滾道受力波動，產生軸承滾珠跳動，影響軸承轉動的穩定性。且因貼合面不足，鎖緊力不夠，易使軸承出現打滑現象。

3 結束語

總之，只有把控以上隔圈的關鍵尺寸，才能確保隔圈的有效性，才能使得整個角接觸軸承單元的裝配精度得到保障。除了要嚴格按照安裝要求進行以外，主軸軸承安裝完成后應進行運轉驗證，在空載狀態下采用200 r/min～300 r/min的轉速連續運轉24 h，觀測噪音、振動及溫升狀態，如出現異常應停止運轉并進行檢查。運轉驗正無問題后方可交付使用。總之，做好安裝前的準備工作、安裝后的驗證工作以及后期的維護保養，這樣可以有效延長角接觸球軸承的使用壽命。