滚珠丝杠用60°角接触球轴承支撑结构分析

宗 华

（阜新天源钢球制造有限公司， 辽宁 阜新 123002）

0 引言

滚珠丝杠是一种对精度有着较高要求的驱动部件，当它在运行时，刚度的高低对驱动精度有着较大影响。为了与数控机床高刚度、高精度的生产模式相互契合，必须选用刚度高、精度大的球螺杆副，并选用刚度高、精度大、摩擦力矩小的轴承。滚珠丝杠所承受的载荷主要是轴向载荷，而径向负荷则是螺杆自身质量，因此，必须采用高刚度、高精度的60°大推力角接触球轴承来用于滚珠丝杠固定端的支撑，该类型轴承具有高刚度、低扭矩、高精度和高轴向负荷能力等优点，特别适用于滚珠丝杠的紧固端部支撑。所以，对其支撑结构进行分析有一定的意义。

1 60°角接触球轴承工作原理

如图1 所示，为60°角接触球轴承的接触角示意图，其接触角α 的大小与滚珠的数量以及滚珠所受到的载荷Fa有关，具体的关系是：接触角的正弦值与滚珠数目及滚珠载荷之间的乘积就等于轴承所受的轴向载荷[1]。在相同的载荷下，珠子的数量和接触角都会增大，因此轴向负荷会随之变大；在相同的轴向负荷下，随着接触角的增大，单珠子所受的负荷将会降低，这同时也就降低了轴承的弹性变形量，相应的增加了轴承的整体刚度，使其使用寿命有所增长。

图1 角接触球轴承的接触角示意图

常规的角接触球轴承，其接触角一般是15°～40°，主要起到承担径向载荷的功能，而60°角接触球轴承，其轴流式强度一般是常规角球轴承的2 倍。相比于普通的角接触轴承，60°角接触球轴承的滚珠数量有所增加，如果滚珠数量超过了深沟滚子轴承，增加了负荷力，但由于滚珠直径也随之减小，同时轴承类型的起动转矩也减小，其摩擦力矩比圆锥滚子轴承小，因此即使凭借着较小的传动功率，也能够达到很大的旋转精度，并能在高转速下依然可以保持稳定[2]。60°角接触球轴承结构不可分离，采用TN玻璃纤维增强的尼龙66 保持架，质量轻的同时又可以保持较好的工艺性，自带润滑效果好，产品规格有7602 和7603 系 列，如760201TN1～760226TN 1、760304TN1～760326TN1 等。

2 角接触球轴承组配方式分析

由于单独的角接触球轴承通常只接受一个方向的轴流式载荷，因此，它需要与另一个角接触球轴承结合，这是一个可以接受两个方向的轴向和径向载荷的组合。其中，角接触球轴承主要有三种组合：背对背组合、面对面组合以及串联（同方向）式组合，如图2所示。

图2 角接触球轴承组配方式

1）背对背组合（DB）：这个复合结构的承载方式是向外侧扩展的，有效支点的宽度会得到进一步的扩大，不但可以实现对轴向载荷的承载，径向载荷也不例外，抗倾特性优异。

2）面对面组合（DF）：该组合结构的力作用线向内收敛，轴承之间的有效支点间距变小。它可以承受两个不同方向的轴向和径向载荷，但其抗倾斜能力较差，并会降低轴承的极限转速。它通常适用于需要精确对中的场合。

3）串列式组合（DT）：该组合力线是平行的，只能承受一个方向的轴向和径向载荷。如果有相反的轴向载荷，就必须由另一组相对的固定端支撑来完成。考虑到其安装方位的固定，因而角接触球轴承的方向也是不变的，在组装过程中，为防止组装时发生倒置，其外环上压印有“V”型标志，经配合后若形成“V”字型，则表示其布置是正确的。

3 滚珠丝杆传动机构固定端支撑

滚珠丝杆传动机构的固定端也叫作静止端，一般使用BK 系列（正方形），其型号可划分为BK10～BK40，如图3 所示，为典型的固定端支撑单元结构。轴承是以60°角接触球轴承为基础，其固定端由一组装配方式构成，轴承经过预压缩，可确保轴向零间隙和高刚度，并能在轴向和径向上分别承担约束和负载，外环和内环的轴向间隙可调节，外环、内环通过轴承盖和锁紧螺栓进行压力调节，以调节预紧力，改善轴承刚度。通常情况下，滚珠丝杠的驱动机构是以其固定端为传动轴，并以此为参考，通过此传动端计算出其大小和误差。在固定端的轴承中预先加载油脂，使其外径和孔公差分别为H5 和H6。

图3 固定端支撑结构

固定端锁定螺帽用于轴向固定轴承和丝杆，以增加轴承刚度，同时特别设计了紧固螺丝和防护垫圈（铜板），该紧固螺丝由防护垫圈紧紧地压在球形丝杆上，使其不会出现任何松动。采用铬钢制成的锁紧螺帽，经过调质、热处理，其硬度（HRC）为38～42，锁定螺帽的端面与支座的端面紧密配合，经过研磨后，使其平面度和垂直度的精度都能达到0.01 mm。除60°角接触球轴承外，固定端支架还可选择圆锥滚子轴承、双向推力角接触球、圆锥滚子轴承和深沟球轴承、推力球轴承和深槽球轴承、止推滚子轴承和滚针轴承等轴承组合，但要数60°角接触球轴承的支撑效果最好。

4 滚珠丝杠用60°角接触球轴承选型与寿命计算

4.1 轴承选型

从有关滚珠丝杠的设计计算可知，南京工艺设备制造有限公司生产的滚珠丝杠是目前市面上使用最多的滚珠丝杠，它的特殊性能包括浮式内循环、预紧双螺帽衬套、直筒球螺杆。滚珠丝杠具有40 mm 的内径，滚珠丝杠的轴系系统配有两个固定支撑机构。滚珠丝杠60°角接触球轴承使用60°角触点球形推力球轴承一对。由于滚珠丝杆的直径小于34.9 mm，所以选择了30 mm 的内径。最后，根据查阅60°接触球的有关数据，确定了其最终型号为7602030 角接触球轴承。

4.2 轴承寿命计算

在对轴承寿命进行计算时，60°推力角接触球与普通轴承的使用寿命计算过程基本一致，首先应该确定接触球轴承的当量动载荷P=fp（XFr+YFa）[3]，其中fp为载荷系数，轴承的轴向载荷Fa为2 274 N，径向载荷Fr为1 000 N，其中X 和Y 为等效动载荷系数，根据Fa/Fr的比值进行对比，具体的情况如表1 所示。

表1 当量动负荷因数

从上文可知，Fa/Fr=2 274/1 000=2.274，由于Fa/Fr＞2.17，两个60°角接触推力球轴承用于背对背（DB）匹配，X=0.92，Y=1 可通过参考表2 获得，最终取fp=1.1，所以当量动载荷P=1.1×（0.92×1 000 N+1×2 274 N）=3 832.8 N。通过动载荷能够得出（其中n 为转速，取60 r/min；[Lh]为寿命，取2 400；e 取3；fT为系数，取1），在实际情况下，轴承的动载荷C 为16 944.19 N。得到了轴承的动载荷后，出于严谨性还应继续对所计算出的轴承动载荷进行校核，参考60°角接触球轴承的相关说明，可以看出7602030 角接触球轴承的额定动载荷Cr为26 000 N，相应的静态负载C0r=56 000 N，因为其额定动态负载Cr=26 000 N，比计算的实际动态负载C=16 944.19 N。因此，可以认为使用7602030 型角接触球轴承具有足够的承载能力。

依据以往的滚珠丝杠设计和计算过程，得出角接触轴承所能承载的极限轴向载荷FB，max可达7 024 N，而角接触轴承所承受的实际预载不低于其极限轴向负载的1/3，即2 341.4 N，根据有关说明书，7602030 角接触球轴承的预加力为2 900 N，所以，角接触球轴承的预加力要比实际的预加力大，采用7602030 型60°角接触轴承来作为滚珠丝杠的支撑结构就显得十分合理。经过预压处理后，轴承的轴向间隙基本消失，具备较高的刚度和承载能力。

5 结语

为了适应高精度、高刚度的数控机床进给系统，必须使用具有高轴向刚度、低摩擦扭矩和高速的轴承。针对上述问题，本文主要对滚珠丝杠用60°角接触轴承的支撑结构进行了分析研究。首先对该类型轴承的工作原理进行了简要阐述，分析了其具体的组配方式。然后对滚珠丝杠传动机构固定端展开了介绍，并最终进行了角接触轴承的选型及寿命计算，选定轴承型号为7602030 型，其具有较高刚度和承载力，符合生产要求。