机床轴承选型指南：主轴与转台的核心技术解析 - 广州轴承制造技术展

轴承，作为机床主轴和转台不可或缺的组件，对机床的整体性能有着深远的影响。本文旨在深入探讨主轴轴承与转台轴承的选型方法。

首先，我们聚焦于主轴轴承。主轴，这一机床的核心部件，其性能直接决定了机床的旋转精度、转速稳定性、刚性以及温升与噪音控制等多个关键指标。这些指标又进一步影响到工件的加工质量，诸如尺寸精度和表面粗糙度等。因此，选择高性能的轴承对于保持机床的卓越加工能力至关重要。在选型时，应确保轴承的精度达到ISO P5或更高（其中，P5和P4是ISO规定的精度等级，从低到高依次为P0, P6, P5, P4, P2）。特别是对于数控机床和加工中心等高速、高精度的机床，其主轴支承应选用至少达到ISO P4精度的轴承。此外，主轴轴承的类型也多种多样，包括角接触球轴承、圆锥滚子轴承以及圆柱滚子轴承等，具体选择应根据实际需求和工况来确定。

图1. 机床主轴与精密角接触球轴承

在众多轴承类型中，精密角接触球轴承（见图2）因其独特的性能而广受青睐。其滚动体为球状，点接触设计使得它能够提供卓越的转速、极低的发热量以及出色的旋转精度。特别是在超高速主轴应用中，混合型轴承采用陶瓷球（如Si3N4或Al2O3），凭借其高刚度、高转速、耐高温和长寿命等特点，完美满足高端客户对机床轴承的严苛要求。

此外，角接触球轴承的接触角也至关重要。15°接触角的轴承转速性能优异，而25°接触角的轴承则具备更高的轴向承载能力。在精密角接触球轴承的应用中，预载的选择至关重要。在高承载、高刚性的场合，中型或重型预载的轴承更为合适；而对于高转速、高精度的应用，轻预载则更为常见。预载分为轻型、中型和重型三种，为了简化客户的使用过程，世界知名轴承制造商普遍提供预先研磨轴承端面并加预载的轴承，即万能配对精密角接触球轴承。这类轴承免去了客户的预载调节步骤，大大节省了安装时间。

图2. 精密圆锥滚子轴承

在重载且对速度有要求的机床应用中，如锻件荒磨、石油管道车丝机、重型车床和铣床等，精密圆锥滚子轴承是理想的选择。其线接触滚子设计为主轴提供了高刚性和承载能力。此外，纯滚动轴承设计降低了运转扭矩和发热，确保了主轴的转速和精度。圆锥滚子轴承的轴向预载可调节特性，使得客户在整个使用周期内都能优化轴承游隙。

对于内圈挡边线速度超过30米/秒的高速应用，某些特殊设计的圆锥滚子轴承同样适用，例如TSMA轴承和Hydra-Rib液力浮动挡边轴承。TSMA轴承的挡边设有多个轴向润滑油孔，支持循环油润滑或油雾润滑，离心力使油分布到滚子与挡边接触区，从而充分润滑轴承，提升转速。而Hydra-Rib液力浮动挡边轴承专为优化主轴系统预载而设计，其浮动挡边与滚子大端接触，无固定内圈挡边。“压力”系统定位确保了轴承在各种工况下都能发挥最佳性能，已成功应用于国内客户。

图3. 带有液力浮动挡边轴承的主轴设计

在圆锥滚子轴承的精度选择上，ISO P5级轴承主要适用于传统的车床和铣床。而对于加工中心、磨床等高精度应用，则通常会选用ISO P4或更高级别的精密轴承。在主轴设计中，常见的圆锥滚子轴承布局有两种。一种是前后端各布置一个圆锥滚子轴承，并采用面对面的安装方式（见图4），这种设计结构紧凑、刚度高，同时便于安装和调节。

图5. 双列圆锥滚子轴承与单列圆锥滚子轴承的组合安装

另一种常见的布局是，在主轴的前端采用两个圆锥滚子轴承面对面安装，而后端则配备一个双外圈、两个单内圈的轴承（TDO），作为浮动端使用。这种设计不仅具有出色的浮动能力，能够有效应对主轴的轴向热膨胀，同时其高刚度特性也确保了机床的加工精度。

图5. 前端单列圆锥滚子轴承成对安装，后端TDO

在机床主轴的应用中，双列精密圆柱滚子轴承也占据一席之地，常与精密角接触球轴承或推力轴承联合使用。这类轴承能承受重大径向载荷，并允许高速旋转。其两列滚子以交叉方式排列，使得旋转时的波动频率大幅提高，同时振幅降低了60%~70％。双列圆柱滚子轴承主要有两种类型：NN30和NN30K系列，其内圈设有挡边，外圈可分离；而NNU49和NNU49K系列则外圈带挡边，内圈可分离。特别的是，NN30K和NNU49K系列的内圈为锥孔设计，与主轴的锥形轴颈相配合。通过轴向移动内圈，可以调整轴承的游隙，甚至实现预紧状态。通常，圆柱孔轴承采用热装方式，利用过盈配合来减小游隙或进行预紧。对于内圈可分离的NNU49系列轴承，通常在安装主轴后再对滚道进行精加工，以确保主轴的高旋转精度。

*单列轴承仅在一侧方向上承受轴向力。

附表二：轴承的精度等级

转台轴承

在数控机床中，回转工作台是不可或缺的部件，它包括分度工作台和数控回转工作台。这些工作台不仅提供X、Y、Z三个坐标轴的直线进给运动，还常需进行绕X、Y、Z轴的圆周运动，这些运动分别由A、B、C轴来控制（见图6）。

图6. 机床坐标轴

数控回转工作台，简称数控转台，不仅可实现圆周进给运动，还具备分度功能。分度工作台则专为工件转位换面而设计，与自动换刀装置协同工作，使工件在一次安装下能完成多面工序，显著提升工作效率。尽管数控转台与分度工作台在外观上相似，但其在结构上却大相径庭。数控转台能实现圆周进给运动，这使其在结构上与数控机床的进给驱动机构有许多共同之处，但驱动机构侧重于直线进给，而数控转台则专注于圆周进给。

回转工作台在数控铣床、镗床、立车、立铣等机床上均有广泛应用。它不仅需承受工件的重力，更要确保在承载状态下的回转精度。而转台轴承，作为转台的核心部件，在运行过程中需兼具高承载力、高回转精度、高抗倾覆能力以及高转速。在回转工作台的设计中，常用的轴承类型包括推力球轴承与圆柱滚子轴承的组合，以及静压轴承与精密圆柱滚子轴承的组合。
静压轴承，一种靠外部供给压力油的滑动轴承，通过在轴承内建立静压承载油膜实现液体润滑。从启动到停止，它始终在液体润滑下工作，因此无磨损，使用寿命长，启动功率小。此外，这种轴承还具有高旋转精度、大油膜刚度以及能抑制油膜振荡等优点。精密圆柱滚子轴承则具有出色的径向承载力，且因采用精密级轴承而保证了回转工作台的回转精度。此类设计的回转工作台能承受高达200吨以上的轴向力，转台直径更可达10米以上。但需注意的是，静压轴承需配备专用供油系统，维护较复杂且成本较高。

另一方面，交叉滚子轴承在转台上的应用也日益广泛。其独特之处在于轴承中的两个滚道和两排交叉排列的滚子。相较于传统的推力轴承与径向定心轴承组合，交叉滚子轴承结构更紧凑、体积更小巧，简化了工作台设计，从而降低了转台的成本。