实用 | 交叉滚子轴承在数控立车上的应用
实用 | 交叉滚子轴承在数控立车上的应用
- 2020/4/20 8:00:38
本文主要介绍如何在立式车床上应用交叉滚子轴承，以实现其完美的工程性能。
中国是机床需求大国，也是生产大国，但仅是在中低端领域较为充分的满足国内工业需要，高端领域一直涉入较少。随着产业的发展和竞争的升级，提高产品技术含量，拥有自主的专利、设计才是企业长期发展的最佳选择。因此就数控立车而言，如何实现产品从低端到高端、从初级加工到高精尖制造才是企业转型大潮中应该思考和努力的方向。 在立车设备上，回转工作台是体现机床整体性能、实现工件加工精度的核心构造之一。我们要求它在高速运转并承受较重工件的同时，具备精准的运行精度及非常高的抗倾覆力矩能力，而支撑工作台的轴承则是完成这一重要使命的关键。之前国内大部分工作台选择推力轴承与径向轴承配合使用，这种布置形式结构复杂，用料较多，尤其在安置大型箱体零件时，整个机床的空间体积更为庞大。轴承的安装和预紧调整也比较困难，对中更加不易保证，工作台整体精度难以提高。 随着近几年科学的发展，高精密、高转速机床产品受到市场的青睐。也使得立车的加工精度不断迈向新的高度。而交叉滚子轴承在提高立车加工精度上起到了关键性作用。
轴承跳动可分为同步跳动和异步跳动，其中同步跳动对工作台整体跳动的影响可以通过磨削工作台面而最大程度的减小，但异步跳动的影响在这一环节中却无法消除，它主要是由滚子外径公差及圆度所决定的。因此，轴承异步跳动控制的越好，则工作台最终的径向与轴向跳动也越小，即运转精度越高。在选择轴承品牌与精度等级时，建议不要只关注轴承装配跳动，而应该深入了解影响轴承异步跳动的精度标准。
轴承选型时建议内圈与轴、外圈与齿圈均为紧配合。外圈由于是转动部件，紧配量应该略大;内圈会被端盖压着向下移动，调节至一定的预紧量，因此紧配量应该略小。但如果认为内圈是静止部件，而将内圈与轴设计为松配合(内圈与轴之间存在径向间隙)，则有可能在安装内圈、锁紧内圈或者轴承受载时内圈偏斜，即发生偏心。这种偏心将使滚子与滚道的接触区域边界出现应力集中，造成严重的划痕、压坑及剥落，提早结束轴承寿命。
轴与齿圈的安装面要求具有与精密轴承一致的平面度、垂直度、圆度及圆柱度。控制这些形位公差不仅可以获得更好的装配精度，而且可以避免轴承内外圈过度偏心而产生应力集中，延长轴承的使用寿命。关于形位公差的加工标准，建议咨询轴承供应商，匹配其轴承精度即可。
立车的切削测试中非常关注工件的端面及外圆粗糙度，而决定其优差的关键之一就是系统的刚性。系统刚性包括框架结构的刚性、支撑轴承的刚性等，其中轴承的刚性往往取决于其轴向预紧量。
实际应用中，轴承A列滚子主要承受倾覆力矩，而C列滚子主要承受轴向载荷。当轴承外圈承重时，A列滚子与轴承圈有脱开的趋势，即轴向游隙增大，而C列滚子被压紧，即轴向游隙减小。如果轴承轴向预紧量不足，承重后，A列滚子不仅失去预紧，而且与滚道之间出现游隙，系统刚性因此迅速下降，那么当切削力产生倾覆力矩时，工件的径向变形将大大增加，同时得到的表面粗糙度也非常差;如果轴向预紧量过大，由于C列滚子要同时承受工件重量与轴承内部预紧力，其与滚道之间的接触应力有可能超出许用极限，大大降低轴承使用寿命。因此，充分考虑温度与载荷的影响，合理设定轴承的轴向预紧量变得尤为重要。
此节重点讨论安装过程中需要额外注意的操作细节：
1.轴承下内圈装入轴座并回到室温时，需要用0.025mm的塞尺检查内圈与挡肩之间的间隙，确保已经安装到位;外圈亦是如此，如果没有到位，则用中等硬度的钢棒敲击端面，使其到位，以避免内外圈由于安装不到位而发生偏心，损伤轴承。
2.完成轴承下内圈、外圈及滚子的安装后，调整齿圈端面与主轴端面的平行度(图中红线所示平面)，使下内圈与外圈平行;完成上内圈的安装后，正反转动轴承，使滚子和隔片正确定位，再调整齿圈端面与上内圈端面的平行度，最终确保三只轴承圈均水平，从而避免轴承圈之间发生偏心，造成应力集中，损伤轴承。
3.完成上内圈安装后，必须正反转动轴承，使滚子和隔片自动摆正，再加入垫片及端盖锁紧。如果没有转动轴承而使滚子歪斜的排列在滚道上并锁紧，轴承运转时就会出现严重发热、滚道烧伤、划伤以及精度丧失等问题。
4.按照对角线顺序逐个锁紧端盖螺栓(如图6所示)，锁紧力矩可分3至4次递增至最终锁紧量，避免端盖被压入时，由于两侧受力不均或受力过大而歪斜，使内圈随之发生偏心。同时，也可在每一轮锁紧后再次检查端盖的水平度，尽可能排除偏心。
若切削测试中发现加工工件的粗糙度不好，除轴承刚性问题以外，还有可能是设备中其它组件的振动较大，传递到工作台及工件，影响切削质量。因此，需要振动检测与分析装置查找振动源，以便更加快速准确的解决振动引起的切削质量问题。
如果回转工作台由齿轮齿圈啮合驱动，安装时需要注意调整合适的啮合位置，以免齿圈偏心，造成轴承内部应力集中而过早报废。
在数控立车的设计领域，选用交叉滚子轴承支撑回转工作台已经成为主流。但如何在应用之初以及安装调试阶段最大限度的发挥此类轴承的优势，使其能够更好的配合其它结构组件展示机床整体的优异性能，是今后轴承供应商需要与机床制造商共同深入探讨的问题。
交叉滚子轴承在立车上的应用非常成功，大大提高了机床的各项精度，在高速旋转时其各项几何精度的提高尤为明显，但不可否认的是仍有很多缺点制约了轴承的使用，如轴承的个体尺寸差异较大，各相关零件需按轴承实际尺寸来确定，同时轴承外环及下内环需过盈安装，而且各相关零件的尺寸公差、形位公差要求极高，很难形成批量生产。当然，随着机加工艺水平的提高和装配手段的日新月异，交叉滚子轴承在立车上的应用已经越来越广泛。威尼斯811355成立于2005年12月，是一家以生产精密轴承为发展方向，专业研发、制造精密转台轴承、交叉滚子轴承、机器人减速器专用轴承三大系列产品的企业，占据国内80%市场，40%产品出口至欧洲、韩国等国家，每年以30%-50%的增速发展。