一種節約空間的回轉工作臺底座軸承的應用

王俊峰，周巖，焦建華，姜川

（齊重數控裝備股份有限公司，黑龍江齊齊哈爾 161005）

0 引言

數控重型立式銑車加工中心加工精度高、效率高，回轉工作臺是數控重型立式銑車加工中心的關鍵核心部件，承擔著承載工件做回轉運動及精確分度的功能，其剛度、精度與穩定性是機床的重要技術指標，直接影響工件的加工精度。

回轉工作臺的剛度、穩定性、承載能力、轉速等綜合性能反映了數控重型立式銑車加工中心的技術水平，也體現了數控加工中心的制造能力和水準，并且直接關系到產品加工精度與生產效率。回轉工作臺技術含量較高，回轉工作臺的研究開發一直受到機床行業的重視。同時回轉工作臺體積的增加和減小直接影響了數控重型立式銑車加工中心的整機體積和質量。據統計，數控車床質量約1/4～1/3來源于回轉工作臺。

1 回轉工作臺設計

數控回轉工作臺是各類數控銑床和加工中心的附件[1]，數控重型立式銑車加工中心回轉工作臺主要由工作臺面、工作臺底座、齒圈、主軸、軸承、回轉編碼器等部分組成。工作臺面通過軸承與主軸聯接，主軸則與工作臺底座通過螺栓固定連接，齒圈與工作臺面通過螺栓固定連接，在變速箱內齒輪與工作臺齒圈嚙合后，電動機內的電動機軸通過變速箱降速增力，可以帶動工作臺面的旋轉。

回轉工作臺為提高加工精度、實現工作臺分度可采用全閉環控制，位置檢測元件采用高精度旋轉編碼器。

因為立式車床對加工工件的承載普遍較大，切削力也同樣較大，而回轉工作臺面在工件加工的過程中是需要在回轉工作臺主軸上旋轉的，這樣就使回轉工作臺底座主軸和回轉工作臺面之間必須使用能夠同時承受徑向力和軸向力的軸承。由于滾動軸承有許多優點，加之制造精度提高，所以一般情況下，數控機床應盡量采用滾動軸承[2]。

在傳統的軸承布置中，回轉工作臺底座的主軸軸承采用的方法是多種軸承進行組合使用。多種軸承的組合使用可以保證回轉工作臺面在回轉工作臺主軸為中心的基礎上旋轉，又同時保證了回轉工作臺的大承載和加工工件時的大切削力。回轉工作臺裝配如圖1所示。

圖1 回轉工作臺裝配示意圖

主軸安裝在回轉工作臺底座上，主軸和回轉工作臺底座依靠配合止口定位，并通過螺釘和銷釘固定。大推力球軸承下軸承圈安裝在回轉工作臺底座上，并通過配合止口定位。齒圈內孔與圓柱滾子軸承通過公差配合，下方通過擋圈固定軸承外環下端，齒圈落在大推力球軸承上。內環帶斜度圓柱滾子軸承安裝在主軸上，并通過固定螺母鎖緊。將小推力球軸承安裝在齒圈上，通過配合止口定位，通過壓蓋與主軸固定連接，并通過調整螺釘來調整安裝軸承的預緊力。回轉工作臺面與齒圈依靠止口定位，并通過螺釘和銷釘固定。

隨著現代機床加工工件質量的不斷增大，加工工件時切削力的不斷提升，回轉工作臺為了能夠達到更大的承載和切削力的要求，就需要繼續加大組合使用的軸承的規格。組合使用的軸承本身安裝就是十分占用空間的，而為了更大軸承的使用，還需要相應地加大回轉工作臺底座的體積，以保證更大體積的組合使用軸承的安裝空間。

回轉工作臺底座體積加大，其實是有利有弊的。在合理范圍內適當地加大回轉工作臺底座，可以增加回轉工作臺的整體剛度。但這種體積增加所代來的剛度是工作臺底座、主軸和工作臺面的大件自身的剛度，而在數控重型立式銑車加工中心的使用過程中，剛度薄弱處是起到旋轉作用的軸承的剛度，所以在大件自身在滿足回轉工作臺整體剛度的要求后，再繼續增加回轉工作臺底座大件的體積并不能補充軸承剛度不足的短板，也就無法提升機床的整體剛度。

而且多種軸承組合使用時，需要給每個軸承都提供定位用的孔面、軸面和平面，這樣對于組成回轉工作臺的各個部件都有了較高的加工要求。同樣在回轉工作臺的裝配調試過程中，各個部件和軸承也都需要進行仔細的裝配調整，以保證各處用于定位配合的孔面、軸面、配合良好，各處用于承重的平面接觸良好、受力均勻。以保證機床整體的精度與剛度，又能使軸承使用良好，保證軸承的使用壽命。

支承結構設計需要綜合考慮軸承的配置、軸向定位與調整方法、潤滑和密封、裝配與拆卸等一系列問題，總的要求是保證功能、結構簡單、安裝調整方便、成本低[3]。

因為回轉工作臺是機床整體結構布局的基礎，其他的部件都是圍繞著回轉工作臺排布的。回轉工作臺底座外形尺寸增加后，機床的整體尺寸也必須相應地增加，才能滿足機床所有結構的安裝。這樣一來使得機床整體的尺寸都增加了，使機床整體變得笨重，同時也消耗了更多的金屬。機床在使用時也變得更加笨重，需要消耗更多能源。而消耗的能源變成了熱量，回轉工作臺處產生額外的熱量的位置主要是回轉工作臺的導軌面和軸承。軸承內的摩擦可以描述為其對旋轉的總阻力，其表示軸承中的發熱量，因此決定了軸承的工作溫度。常用軸承材料可分三大類：1）金屬材料。如軸承合金、銅合金、鋁基合金和鑄鐵等。2）多孔質金屬材料。3）非金屬材料。如工程塑料、碳-石墨等[4]。這些材質在溫度發生變化時，材料本身會隨之發生膨脹或收縮，對機床精度產生一定影響。如果機器工作時有較大的溫度變化，那么工作溫度將使配合性質發生變化。軸承運轉時，對于一般工作機械來說，套圈的溫度常高于其相鄰零件的溫度。這時，軸承內圈可能因熱膨脹而與軸松動，外圈可能因熱膨脹而與外殼孔脹緊，從而可能使原來需要外圈軸向游動性能的支承喪失游動性[5]。這樣不單單平白地增加了機床的生產、使用成本，降低了機床的精度，同時也造成了浪費。

2 回轉工作臺內的交叉滾子軸承結構傳動設計

交叉滾子軸承這種內圈分割、外圈旋轉的特殊型號軸承，因被分割的內環或外環，在裝入滾柱和間隔保持器后，與交叉滾柱軸環固定在一起，以防止互相分離，故安裝交叉滾柱軸環時操作簡單。而且因為滾柱交叉排列，因此只用一套交叉滾柱軸承就可以承受各個方向的載荷，與傳統型號相比，剛度提高3～4倍。交叉滾子軸承制作時已經將游隙調整在最佳狀態，不必進行間隙調整，可直接組裝。從前工業機器人中通常用作關節軸承，隨著生產工藝的提升，已經開始應用于其他行業了。

一種簡潔的回轉工作臺底座軸承結構聯結傳動結構，其回轉工作臺交叉滾子軸承裝配示意如圖2所示。

圖2 回轉工作臺交叉滾子軸承裝配示意圖

主軸安裝在回轉工作臺底座上，主軸和回轉工作臺底座依靠止口配合定位，并通過螺釘和銷釘固定。想要充分發揮軸承的承載能力，其內外圈的內、外徑整個圓周表面必須有牢固和均勻的支承為基礎。將交叉滾子軸承安裝在主軸軸徑上，主軸和交叉滾子軸承依靠止口配合定位。上壓環安裝在交叉滾子軸承上端面，通過止口配合定位，并通過調整螺釘來調整安裝軸承的預緊力。為了提高軸承的旋轉精度，增加軸承裝置的剛度，減小機器工作時軸的振動，常采用預緊的滾動軸承[6]。滾動軸承的預緊是采用適當方法使軸承滾動體和內外套圈之間產生一定的預變形而帶負游隙運行。預緊的目的是增加軸承的剛度，提高旋轉精度，延長軸承壽命[7]。

齒圈落在交叉滾子軸承上端面，齒圈和交叉滾子軸承依靠止口配合定位。下壓環安裝在交叉滾子軸承下端面，與交叉滾子軸承通過止口配合定位，并通過調整螺釘來調整安裝軸承的預緊力。回轉工作臺面與齒圈依靠止口配合定位，并通過螺釘和銷釘固定。

因為只使用一套軸承，就可以達到多個軸承組合使用的要求。相比多個軸承組合使用，軸承的整體體積減小了40%～50%。回轉工作臺也可以在滿足整體剛度的要求下，盡可能地減小體積。經對比，在保持回轉工作臺整體剛度不變的前提下，工作臺底座的體積能減少10%～25%，相應地可以減少機床的整體體積約3%～8%，機床總重能降低約2%～10%，使機床外形更加合理。同時因為機床總重的減小，在使用中可以極大地減小能量在傳遞過程中的損耗，還可以減少機床的總體發熱量。

而且只使用一套軸承，就可以達到多個軸承組合使用的要求。而且因為縮小了回轉工作臺所需的體積，可以減小能量的消耗、回轉工作臺的總發熱量，并減少軸承上的溫度變化、一部分軸承的微量變形。軸承發熱會使軸承發生微量變形，因為組合使用的軸承相當于多個發熱點，多個軸承發生熱變形，變形情況較為復雜。而一套交叉滾子軸承則是一個發熱點，一個軸承發生熱變形，變形是均勻的環狀變形，相對于多個軸承的復雜變形，回轉工作臺的工作精度更加容易保證。

與多種軸承組合使用不同的是，只需要給一個交叉滾子軸承提供一套用于定位和承載用的孔面、軸面和平面，這樣就減少了需要加工的孔面、軸面和平面，降低了對于組成回轉工作臺的各個件的加工要求。同樣在回轉工作臺的裝配調試過程中，也減少了需要裝配調整的孔面、軸面和平面，可以更加簡單地達到保證各處用于定位配合的孔面、軸面配合良好的要求，也可以更加簡單地保證各處用于承重平面的接觸良好、受力均勻。可以更加簡單地達到保證機床整體的精度與剛度，又能使軸承使用良好，保證軸承的使用壽命的要求。

因為交叉滾子軸承能承受較高的傾覆力矩，用于機床（例如立式鏜床和磨床）的轉臺軸承最理想。用交叉滾子軸承替代組合使用的軸承，減少了機加的工作量，節約了機加成本，縮短了回轉工作臺機加時間3%～5%。對裝配來說，也減少了大量需要調整的環節，在減輕裝配工人工作量的同時，節約了勞動力，減少了裝配消耗時間約5%～8%。同時也節約了機床生產所需的2%～10%的金屬。

因為機床體積的減小，在使用中可以極大地減小能量在傳遞過程中的損耗，可以選擇更小功率的電動機，降低電動機的成本。同時因為其質量的大大降低，回轉工作臺在對回轉運動做出啟停要求時需克服的慣性更低，使得機床在加工時的啟動和停止更加順暢，以節約各個動作時間，在保證加工精度的同時，縮短加工零件所需的時間，以保證更高的生產效率，為加工廠在單位時間能夠創造更多的生產利潤。

3 結語

本文設計了數控重型立式銑車加工中心回轉工作臺，解決了回轉工作臺底座內軸承占用空間過多的難題。經實際使用證明，該回轉工作臺剛度高、穩定性好。本文設計的回轉工作臺已大量配置在公司機床產品上，市場反饋良好。