主轴组件滚动轴承的常用选择

滚动轴承是由专业化的滚动轴承制造厂生产的标准部件，在机器中起着轴类零件的支承作用。由于其产生的滚动摩擦减小了运动副之间的磨损，可有效提高机械效率。由于滚动轴承的加工工艺相对成熟、成本较低且使用维修方便，因此在工程中得到了广泛的应用。

1）滚动轴承的优缺点

与滑动轴承相比，滚动轴承的优点和缺点可总结如下。

（1）滚动轴承的优点：

①滚动轴承能在转速和载荷变动幅度很大的条件下稳定地工作，而动压滑动轴承在低速时难以形成具有足够压强的油楔；

②滚动轴承可以在无间隙，甚至在预加载荷（有一定的过盈量）的条件下工作，有利于提高旋转精度和刚度；滑动轴承则必须有一定的间隙，才能正常地工作；

③滚动轴承摩擦系数小，有利于减少发热；

④滚动轴承的润滑比滑动轴承容易，可以用润滑脂，如果用润滑油，则所需的流量也远比滑动轴承小；

⑤滚动轴承由专门工厂生产，供应方便，可以外购。

（2）滚动轴承的缺点：

①滚动轴承滚动体的数目有限，刚度是变化的；

②滚动轴承的内外圈与滚动体是刚性接触，而滑动轴承的油膜令形成黏性阻尼层，故滚动轴承的阻尼比滑动轴承低；

③滚动轴承的径向尺寸比滑动轴承大。

2）滚动轴承的常用型号及结构

滚动轴承的型号按照滚动体的形状分为：球轴承、圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承和滚针轴承等。其中，常用的球轴承有深沟球轴承、角接触球轴承和推力球轴承等，圆柱滚子轴承有单列、双列向心短圆柱滚子轴承等。下面将对几种轴承的结构及特点进行介绍。

（1）球轴承。

深沟球轴承只能用来承受径向载荷；角接触球轴承既能承受径向又能承受轴向载荷，推力轴承则只能承受轴向载荷。深沟球轴承一般不能调整间隙，故常用于精度和刚度要求不高的地方，如钻床主轴。角接触球轴承和推力轴承可以用使内、外圈相对轴向位移的方法调整间隙，因而使用广泛。

传统的推力轴承一般都只能承受一个方向的轴向力，近些年又发展出可承受双向轴向力的轴承，它通常与双列向心短圆柱滚子轴承配套使用，其结构如图5-2所示。它由外圈2、内圈1和4及隔套3组成。修磨隔套3就可消除其间隙并预紧。它的外圆柱面公差带在零线下方，与箱体孔之间有间隙，因而不承受径向载荷，专做推力轴承使用。外圈中央开有油槽和油孔，润滑油由此进入轴承。这种轴承的极限转速与同孔径的双列短圆柱滚子轴承相同。

（2）圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承。

此种轴承只能承受径向载荷，可分成两类，分别如图5-3中两图所示。其中，图5-3左图所示结构较常见，滚道环槽开在内圈上。图5-3右图所示轴承的结构，滚道环槽开在外圈上，可将内圈装在主轴颈上后再精磨内圈滚道，以避免主轴轴颈的不圆影响滚道的精度并保证滚道与主轴的同轴度。图5-3右侧所示轴承的外径和宽度都比图5-3左侧所示的同孔径轴承小一些，前者属超轻型，后者属特轻型。

图5-2 双向推力轴承结构简图1、4—内圈；2—外圈；3—隔套

图5-3 双列向心滚子轴承结构简图

这两种轴承的两列滚子交叉排列，旋转时刚度的变化较小。内圈有1∶12的锥孔，与主轴的锥形轴颈相配合。轴向移动内圈，可以消除轴承间隙或预紧。

（3）圆锥滚子轴承。

圆锥滚子轴承既能承受径向载荷，又能承受轴向载荷。这种轴承滚子大端的端面与内圈挡边为滑动摩擦，所以发热较多，容许的最高转速低于同尺寸的圆柱滚子轴承。下面对三种属于此种类型的轴承进行简要介绍。

①单列圆锥滚子轴承。

这种轴承能承受的轴向载荷是单向的，通常成对使用，分别装于前、后支承，也可成对地装于前支承，还可与推力轴承配对装于后支承。调整内、外圈的相对位置，就可消除间隙或预紧。

②双列圆锥滚子轴承。

这种轴承可承受的轴向载荷是双向的，承载能力和刚度都较大，其结构简单，如图5-4所示，由外圈2、两个内圈1和4及隔套3组成。外圈有凸缘，因此箱体或主轴套筒只需镗通孔，凸缘一端抵住箱体或主轴套筒的端面，另一端则用法兰压紧。修磨隔套3的厚度就可以消除间隙并预紧，这类轴承常见于坐标镗床。为了减少发热，轴承套圈与滚动体的接触角不宜过大，但小接触角的缺点是轴向承载能力较小。

图5-4 双列圆锥滚子轴承结构简图1、4—内圈；2—外圈；3—隔套

③Gamet轴承。

这类轴承由法国Gamet公司开发。图5-5a所示为H系列，用于前支承，图5-5b所示为P系列，用于后支承，两者需配套使用。这种轴承与一般圆锥滚子轴承不同的地方是，为了降低温升而使用油润滑。

一般滚动轴承如让大量的油通过内、外圈之间，由于滚动体的搅拌作用，会大量发热，起不到降低温升的作用。为了解决这个问题，Gamet轴承的滚子是中空的，保持架整体加工，可以把滚子之间的空隙占满。因此，润滑油的大部分被迫通过滚子的中孔，冷却最不易散热的滚子，小部分则通过滚子与滚道之间起润滑作用。图中外圈上的小孔为进油孔，中空的滚子还可起阻尼作用。

H系列的两列滚子数目相差一个，使两列的刚度变化频率不同，以抑制滚动。Gamet轴承的外圈较长，因此与箱体孔的配合可以松一些，以减少箱体孔的形状误差对外圈的影响。P系列的外圈上有弹簧，用作预紧。弹簧数为16～20，视直径而定。

3）滚动轴承的配置原则

主轴轴承的配置型式，主要包括主轴轴承的选型、组合以及布置等方面的内容，应根据滚动轴承的特点及机器设备的工况条件进行选择，通常考虑的主要因素有转速、承载能力、刚度以及精度等方面的要求，同时还要考虑轴承的供应、经济性等具体情况。

下面以表5-1所示常见主轴滚动轴承的配置型式为例，来介绍确定两支承主轴轴承配置型式的一般原则。

（1）刚度和承载能力。主轴轴承的选择首先应满足所要求的刚度和承载能力。径向载荷较大时，尽量选用滚子（圆柱、圆锥）轴承，可选表5-1中序号1—5的轴承配置型式；径向载荷较小时，可选用序号6—8的配置型式。这是因为滚动体为线接触（圆柱、圆锥）的轴承，其刚度要比滚动体为点接触（球）的高；双列轴承（序号5）比单列（序号4）的刚度高；支承中有多个轴承的比只有一个轴承的刚度高。

此外，提高前支承的刚度能有效地提高主轴组件的刚度，故高刚度的轴承应配置在前支承。

表5-1 常见主轴滚动轴承配置型式及其工作性能

（续表）(www.xing528.com)

注：工作性能指标用相对值表示（第一种为1.0）；这些主轴组件结构尺寸大致相同。

（2）转速要求。不同型号、规格和精度等级的轴承所允许的最高转速是不同的。在相同条件下，点接触的轴承所允许的最高转速比线接触的轴承所允许的最高转速高；圆柱滚子轴承所允许的最高转速比圆锥滚子轴承所允许的最高转速高。因此，应综合考虑对主轴组件刚度和转速两方面的要求来选择轴承配置型式。

总体来说，在轴向承载能力和刚度方面，以专门承受轴向载荷的推力轴承为最高，其次依次为圆锥滚子轴承和角接触球轴承；在允许的极限转速方面，顺序则相反，这是因为点接触的球轴承比线接触的圆锥滚子轴承承受的摩擦力要小，而对于推力轴承，则是因为其转动时滚动体的离心力需由保持架承受，故允许的极限转速最低。

（3）精度要求。主轴组件中承受轴向力的推力轴承配置方式直接影响主轴的轴向位置精度。前端定位时，主轴受热变形向后延伸，不影响加工精度，但前支承结构复杂，调整轴承间隙较不便，前支承处发热量较大；后端定位的特点与上述的相反；两端定位时，主轴受热伸长后，轴承轴向间隙的改变较大；若止推轴承布置在径向轴承内侧，主轴可能因热伸长而引起纵向弯曲。

4）滚动轴承的预紧和间隙调整

（1）滚动轴承的预紧。通常情况下，大多数滚动轴承在安装时，需预先在轴向施加一个等于径向载荷20%～30%的力，使轴承滚道与滚动体之间有一定的过盈量，这种轴承的安装过程被称为“预紧”。

图5-6 轴承预紧前后受力图

图5-6右图所示为预紧前轴承存在间隙的情况，径向载荷Fr由受力方向的一个或几个滚动体承受，导致这几个滚动体和滚道之间产生很大的接触应力和接触变形，降低了轴承刚度和寿命；当间隙调整到零时，各滚动体受力就比较均匀；当对轴承施加预紧产生过盈时，各滚动体的受力就更加均匀一些，如图5-6左图所示，适当的预紧量可使滚动体产生微小的弹性变形，增加了滚动体和滚道的接触面积，从而提高了轴承刚度。

图5-7～图5-9表明适量的预紧对提高轴承刚度、寿命和主轴的动态性能均是有利的，而过大的预紧对轴承刚度的提高已不显著，反而会导致发热量大、磨损严重的后果。

图5-7 轴承径向刚度曲线

图5-8 间隙和轴承寿命的关系曲线

图5-8及图5-9表明，对于不同类型、规格的轴承必存在一个最佳预紧量，使轴承相对寿命最长、主轴前端共振幅值最小，该最佳值应根据机床工作条件、轴承类型、试验和生产经验来确定，在确定时还应考虑轴承发热而引起的过盈量的变化。

一般来说，圆柱及圆锥滚子轴承比球轴承允许的预加载荷要小些；轴承精度越高，达到同样刚度所需的预加载荷越要小些；转速越高、轴承精度越低，正常工作所要求的间隙越大。不同轴承的最佳预紧间隙或预加载荷，可以通过查表等方法获得其推荐值。

（2）滚动轴承的间隙调整。在进行主轴支承结构设计时，，一定要考虑轴承间隙调整结构以便在装配时能对轴承施加预紧力，控制过盈量；在轴承磨损后，为恢复精度需对过盈量再次进行调整，确保主轴滚动轴承能长期、可靠而又稳定地工作。

轴承间隙的调整结构各异，但原理都是一致的，即：使轴承内、外圈产生轴向相对位移，消除滚动体和滚道之间的间隙，并有一定的过盈量。结构设计以简单、调整方便、工作可靠为原则。另外，在调整过程中还不应损坏轴承或影响轴承精度。最常见的调隙方法是采用螺母、套筒或垫片调整。

主轴常用的圆锥孔双列向心短圆柱滚子轴承的径向间隙调整，如图5-10所示，一般是用螺母经中间隔套，轴向移动内圈来实现的。图5-10a所示为仅从左面压内圈移动，结构简单，但控制调整量困难，当预紧量过大时松卸轴承不方便；图5-10b所示为用右边螺母来控制调整量，调整方便，但主轴前端要有螺纹，工艺性差；图5-10c所示为用螺钉代替图5-10b右侧的控制螺母，需在主轴前端设计螺孔，工艺性优于图5-10b所示结构，但当几个螺钉的力不一致时，易将套圈压偏而影响旋转精度；图5-10d所示结构中的隔套沿轴线被剖成两半，可取下来修磨其宽度，以便控制调整量。

在高速轻载精加工机床的主轴组件中，经常采用角接触轴承，它的调整方法如图5-11所示。图5-11a表示结构是按预紧量确定的厚度δ修磨内圈内侧面，当压紧内圈时即得到所需的预紧量；此法要求内圈侧面垂直于轴线，且重调间隙时必须把轴承从主轴上拆下，很不方便。图5-11b所示为在两轴承内、外圈间分别装入厚度差为2δ的两个短套来达到预紧目的，缺点同上。图5-11c所示为在两个轴承外圈之间放入若干个圆周均布的弹簧，靠弹簧保持一个固定不变的、不受热膨胀影响的预加载荷，它可持久地获得可靠的轴承预紧，但对几个弹簧的要求比较高，此法常用于高速内圆磨头中。图5-11d则是在两轴承外圈之间装入一个适当厚度的短套，靠装配调整使内圈受压后移动一个δ的量，它不需修磨，在初调和重调时均可用，但对装配技术要求高。

图5-11 角接触轴承常见调隙结构

此外，根据主轴的工作条件，常需要在主轴的一个支承内设计两个或两个以上的轴承，用来分别承受径向和轴向载荷。对于这种结构，应尽可能使不同轴承的间隙能各自分别调整和控制。图5-12a所示结构中三个轴承共用一个螺母进行调整；图5-12b则各用一个螺母分别对推力轴承和圆锥面双列向心短圆柱滚子轴承的间隙进行调整，但结构较复杂。

图5-12 分离式间隙调整结构

（3）调整螺母的防松。调整螺母一般采用细牙螺纹，易于微量调节、自锁性较好。尽管如此，螺母调整好以后还应有防松措施。防松的方法很多，图5-13为几种常用方法的结构简图。当对调整螺母的轴向跳动有严格要求时，应采用不影响螺母端面位置精度的锁紧装置，如图5-13a、b所示。图5-13c—e所示的结构较为简单。此外，防松结构的设计还应考虑安装时的方便和可靠性。

图5-13 调整螺母的防松结构

用螺母调整轴承的间隙时，需在轴上加工螺纹且要求螺纹中心与主轴中心同轴，否则会使轴承压偏，影响主轴旋转精度，这种螺纹防松结构存在的工艺性缺陷，使其在精密机床中的使用受到了限制。图5-14所示为油压套筒式调整结构，它采用阶梯套筒代替螺母进行调整。装配时将套筒加热后压到轴上，与主轴过盈配合，调整时把压力油压入套筒和主轴间的缝隙中，同时借助专用工具在套筒轴向施加一定推力使其产生轴向移动以调整、预紧轴承。拆卸时，只要把压力油压入缝隙中即可卸下套筒。这种结构已在坐标镗床、精密车床等主轴组件中推广使用。

5）滚动轴承的公差等级

滚动轴承按其尺寸公差和旋转精度的不同，可分成不同的公差等级。机床主轴组件一般要求具有较高的公差等级，精密机床的主轴轴承精度通常采用2、4级，中等及较高级精度的机床主要采用5、6级轴承，普通机床主要采用0级滚动轴承。

轴承公差等级的选择对于主轴旋转精度有至关重要的影响。向心轴承的公差等级，主要考虑机床工作性能和加工精度，按主轴组件的径向跳动公差选择；推力轴承的公差等级，按主轴组件的轴向跳动公差选择。

图5-14 油压套筒式调整结构

主轴前、后支承中轴承的旋转精度对主轴旋转精度的影响是不同的。以向心轴承为例，图5-15a所示为前轴承内圈的径向跳动量为δa，而后轴承的径向跳动为零的情况，这时对应于主轴端部的径向跳动量δ1为：

δ1=L+aδa L

图5-15b所示为后轴承内圈的径向跳动为δb，而前轴承的径向跳动为零的情况，这时对应于主轴端部的径向跳动量δ2为：

δ2=aδbL

若轴承内圈的径向跳动量相同，即δa=δb时，则δ1＞δ2。这就表明前轴承内圈的径向跳动对主轴端部旋转精度的影响较大，后轴承的影响较小。因此，前轴承的旋转精度应当选得高些，通常要比后轴承的高一级。各类机床主轴组件中滚动轴承公差等级的选择，可查表确定。

滚动轴承的配合，对于主轴组件的精度也有很大的影响。轴承内圈与轴颈、外圈与轴承座孔的配合必须适当。过松则配合处受载后会出现松动，影响主轴组件旋转精度和刚度，缩短轴承的使用寿命；过紧则会使内、外圈变形，同样会影响主轴组件的旋转精度，加速轴承的磨损，增加主轴组件的温升和热变形，并给装配带来困难。

此外，对需要调整间隙的轴承，为了使调整时内圈能作轴向移动，配合应稍松些；对于一些轻载的精密机床，为了避免轴颈或座孔的形状误差影响轴承精度，常采用有间隙的配合。例如，对于内圆磨床的磨头，内圈间隙为1～4μm，外圈间隙为4～10μm；YA7063型齿轮磨床的砂轮主轴，内圈（φ35）间隙为0～2μm，外圈间隙为2～8μm。滚动轴承在装配时需进行严格挑选，对轴颈和座孔进行研磨，才能保证规定的配合。

根据各类机床设计制造的经验，滚动轴承的配合可参考表5-2进行选用。轴颈与轴承内圈选用m5配合，紧固性较好，但装拆不方便。用k5平均过盈接近于零，易装卸，受冲击不大时同轴度良好。轴承外圈通常不转动，与轴承座孔的配合稍松，常用J6、Js6或K6，只有在重载荷时才能用M6。

表5-2 常用滚动轴承的配合表