FAG主轴轴承布置设计和应用

在实际应用中,大量不同类型的FAG主轴轴承得到采用。主轴轴承类型和布置的选择取决于应用的特性:比如车削、铣削、磨削等。根据不同工况,轴承的尺寸和轴承的类型不同,同时影响到轴承的布置形式。然而,在不同可行性方案中经济性在最终的选型中同样起着决定性的作用。

FAG轴承一般必须在已经预紧或至少零游隙的条件下运转,以达到高精度要求(P4或更高)。在高速度下温升要尽可能低(脂润滑, 最高可达n·dM=2·106min–1 · mm油气润滑最高可达 n·dM=3.1·106min–1 · mm)。以上要求可以通过采用超精密轴承和相应精密的配合部件来实现。以下信息在应用中可以帮助选择最合适的轴承和轴承布置。包括以下几个方面:

  • 预紧
  • 刚度
  • 接触角
  • 滚动体尺寸和材料
  • 轴承间距
  • 密封
  • 轴承设计步骤
  • 轴承布置比较
  • 轴承布置实例

预载

刚性预紧FAG轴承对轴与轴承座间的温差变化很敏感,尤其当FAG进口轴承间距较小时。如果浮动轴承在轴向上浮动失效,轴承组内的预紧力会极大地增加,甚至会完全消除轴承内部游隙。 还会产生径向应力,尤其是对于接触角为15°的主轴轴承。这些现象同样会发生在圆柱滚子轴承和浮动配合的主轴轴承组内。相比较,如果采用较大间距的轴承组,或弹性预载选择接触角为20°或25° 的主轴轴承对温差变化没有那么敏感。

通常,陶瓷球轴承的运转温度更低。因此,由于温差增加的预紧增加会比钢球的小。

刚度

进口轴承系统的刚度受轴的直径、轴承数量、轴承尺寸、预紧力和接触角的大小的影响。轴承组的刚性取决于FAG轴承的布置和预紧。机床整体系统刚性不仅取决于进口轴承的刚性更取决于轴和轴承座的刚性。

15°接触角轴承的轴向刚度大约是25°接触角轴承的45%,但是径向刚度只高10%。如果考虑整个主轴轴承和悬臂的系统,由于25°接触角轴承布置的支撑跨距比15°接触角轴承的大,所以前者径向刚度好于后者。接触角是20°的轴承可以提供一个良好的折中方案。

由于安装的影响,刚性预载FAG轴承安装后的刚性比样本中的数据高。在运转中,由于高速离心力与轴和内圈的热膨胀导致轴承套圈膨胀从而使刚性增大。

FAG轴承接触角

三种不同接触角的FAG超高精密轴承有着不同的性能和应用领域,参见下表

优点和应用 接触角
15° 20° 25°
优点 径向刚性
径向承载能力
较高转速当内外温差较小时
良好的径向和轴向刚度
复合承载能力
速度 很高在轴承内外温差较高时
轴向刚度
径向系统刚性
轴向承载能力
轴向和径向复合承载能力
可允许较高的内外圈温差
应用 磨床
超精加工设备
带传动侧轴承布置
大功率铣床
加工中心
电主轴
车床
铣床
钻床
加工中心
电主轴

根据滚动体的尺寸和材料选择轴承

所有FAG主轴轴承在型号中有B或RS的为大球,其余的为小球。大球轴承的承载能力比小球轴承高,所以更适于高载荷应用。相反,小球轴承的高速适应性更好。下面FAG主轴轴承的规格和性能参数的比较有助于选择合适的轴承, 参见下表。

球体尺寸 球体材料 轴承类型 承载 速度 寿命
B 中等
RS
HS 中等 良好
陶瓷 HCB 中等 很好
陶瓷 HCRS 中等 最高 很好
陶瓷 HC 最高 最好
X-life 超长寿命轴承 陶瓷 XC、XCB 最优 最优 最优

选择最佳的轴承间距

如果结构允许,在刚性预载下建议选择合适间距的FAG轴承布置,则轴的径向和轴向热膨胀可通过预紧来补偿。最佳轴承间距L与轴承的接触角有关,对于25°接触角的主轴轴承,最合适的轴承间距L大约为轴径d的3倍 ;对于20°接触角的主轴轴承的轴承间距L大约是4倍轴径d;对于15°接触角,L趋近于5·d,但是由于长的轴承间距使轴的轴向热膨胀效果不明显。这样的设计在实际应用中比较少见。

密封

主轴轴承,尤其位于主轴端部时,必须得到有效密封。带防尘盖的非接触式迷宫密封具有紧凑的径向间隙(h8/C9),宽的轴向间隙(间隙宽度大于等于3mm)和排污孔,这些都能使轴承在工作和非工作状态下有效隔离切削液,金属屑和灰尘。密封的脂润滑轴承增强迷宫密封的效果,并且能避免空气在轴承布置中流动。

FAG超精密轴承布置设计步骤

在设计FAG主轴轴承布置,必须遵循以下步骤:

  1. 确定工况(速度、载荷、持续运转时间、间距、直径、温度、周围环境)。
  2. 根据用途和要求选择轴承布置
  3. 确定润滑
  4. 根据速度、设计要求和润滑选择轴承类型和尺寸。
  5. 检查润滑脂寿命。
  6. 计算轴承上的载荷分布。
  7. 检查轴承组的疲劳极限载荷。

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