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立加工作台的创新解决方案：Timken圆锥交叉滚子轴承

发布时间：2012-09-26 浏览次数：897

作者：黄烈
（铁姆肯公司）

　　2011年公布的《机床工具行业“十二五”发展规划》中提出，到2015年我国机床工具行业将实现工业总产值8000亿元。中国作为世界机床大生产国，未来仍然要实现“由大到强”的转变。
　　这一转变离不开制造企业、零配件企业等方面的共同努力。诞生于一个多世纪前的铁姆肯公司，在服务机床行业方面拥有悠久历史，并一直积极开发满足市场发展趋势的轴承产品，致力于为中国机床制造商提供卓越的产品和服务。
　　本文旨在介绍立式加工中心的发展趋势和工作台轴承布置的传统形式，以及Timken^®圆锥交叉滚子轴承的一体式布置方案如何实现工作台结构紧凑、体积小巧、节省材料，在有限的空间内承放更大体积的工件。
　　立式加工中心行业背景和发展趋势
　　“十二五”期间，下游产业包括汽车、航空、风电和能源等领域将进行大范围深层次结构调整，国家对这些领域的大力投入和扶植也带动了机床行业的市场需求。由于轮胎模具、发动机、风电轮毂以及阀门等零件加工的需求上升，市场对在金切机床中占有很大比例的加工中心的需求也大幅上升。其中，立式加工中心产量Z大，占全部加工中心产量的四分之三，而工作台宽度小于600mm的加工中心占据了立式加工中心总产量的70％左右。国产加工中心择优选择国内外数控系统、功能部件等配套件，加快了产业升级和市场占有率的提高，但是对于精密的立式加工中心仍有待开发。

　　立式加工中心正向着高速、高精、复合和节能的方向发展。为了尽可能在零件一次装夹后进行多工位加工，诸如车铣、车磨、多轴联动、及可交换工作台等，复合加工中心应运而生。工作台需要承载工件并带动工件一起转动，其承载能力和旋转精度无疑影响着加工效果。转台轴承作为工作台的Z重要的部件之一，直接决定着工作台的使用性能和被加工件的精度水平。
　　目前比较成熟的转台轴承布置主要为两大类：轴向轴承+径向轴承组合以及采用静压轴承的布置形式。但是这两种布置形式在其安装后的精度和转速上都有局限性，很难满足日趋严苛的加工要求。为了降低工作台由于安装不对中造成的精度损失或是复杂的结构导致的机床体积增大，以及较高的维护成本，一体式轴承布置方案以其精巧的结构和较高精度而备受青睐。铁姆肯公司的圆锥交叉滚子轴承（图1）正是为优化工作台设计而推出的一体式轴承布置方案产品。

图1　Timken^®圆锥交叉滚子轴承

　　Timken^®圆锥交叉滚子轴承特点
　　所谓交叉滚子轴承，即将两列滚子各自的轴心线呈90度垂直交叉布置，从而将承载轴向和径向的两列滚子集成一列。交叉滚子轴承的推出已有数十年，各类产品在市场上并不少见，但铁姆肯公司的交叉圆锥滚子轴承有其自己的独到之处：
　　材料上，选用了纯净度很高的轴承钢并进行表面渗碳处理，外部质硬芯部质软，既提高了表面耐磨能力又增强了抗冲击的性能。
　　设计上，圆锥滚子设计实现纯滚动，降低摩擦损耗，利于提升转速运行平稳。滚子倾角设计则赋予了此轴承很宽的有效跨距，提高了轴承抗倾覆力矩的能力和稳定性，以及更好的承载能力。
　　此外，轴承保持架为尼龙分隔片，使得转动惯量低、启动扭矩低、易于控制角分度。同时，交叉圆锥滚子轴承均为精密轴承，具有目前Z高的旋转精度。
　　创新的圆锥交叉滚子轴承布置方案
　　目前，国内大部分工作台的设计为轴向轴承+径向轴承组合，即轴向推力轴承和径向定心轴承组合的形式。该布置形式结构复杂，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。此外，对中不易保证，轴承安装和预紧调整困难，工作台整体精度很难提高。
　　如图2所示，相比之下，圆锥交叉滚子轴承的布置使得工作台的结构紧凑，体积小巧，节省材料，在有限的空间内可承放更大体积的工件。心轴长度减少，节省材料，降低成本，也减轻热膨胀下的几何尺寸变化。　得益于两排交叉滚子的设计，轴承的有效跨距能被显著地提高和上移跨越工件（如图中蓝色虚线所示），所以该类轴承具有很高的抗倾覆力矩。

图2　传统布置与圆锥交叉滚子布置的跨距对比

　　圆锥交叉滚子轴承的布置如图3所示，可拆分的轴承内外圈分别安放在枢轴和齿轮套圈上，通过调整垫片厚度实现轴承预紧力。铁姆肯公司会根据客户的实际使用工况，通过计算来推荐预紧力以及获得该预紧力所需的垫片厚度。客户只需配磨垫片并锁紧螺栓即可实现精确的预紧，进而达到加工中所需的刚度。大多数情况下，工作台轴承采用循环油润滑，对于Timken^®圆锥交叉滚子轴承，可以通过向其两片内圈的间隙注入润滑油，其油粘度和油量需要根据实际工况计算推荐。

图3　圆锥交叉滚子布置的工作台结构

　　总之，Timken^®圆锥交叉滚子轴承让回转工作台的设计更加简洁紧凑，尤其适于车削中心这种同时对转速和精度都有较高要求的场合。该轴承作为工作台Z关键的部件，其相邻结构设计和轴承的安装过程亦会影响使用结果，铁姆肯公司可提供从轴承选型、轴承供应到售后安装指导的全面服务，致力于帮助客户优化工作台的设计，实现更高价值增值。