第二講數(shù)控機床主軸部件

1、第二講 數(shù)控機床主軸部件武漢船舶職業(yè)技術學院機械工程學院主講教師 周蘭數(shù)控機床裝調與維修本講主要內容對主軸驅動的要求主軸驅動裝置和主軸部件功率特性的匹配數(shù)控機床主軸傳動方式、特點及應用范圍主軸的支承方式數(shù)控機床典型主軸部件一、對主運動部件要求1轉速高、功率大數(shù)控機床主軸驅動要求有較大的調速范圍，以滿足各種工況的切削，獲得最合理的切削速度，從而保證加工精度、加工表面質量及高的生產效率。特別是對于具有自動換刀裝置的加工中心，為適應各種刀具、各種材料的加工，對主軸的調速范圍要求更高。2調速范圍寬并實現(xiàn)無級變速數(shù)控機床主軸的速度是由數(shù)控加工程序中的指令控制的，要求能在較大的轉速范圍內進行無級連續(xù)調速，

2、減少中間傳動環(huán)節(jié)，簡化主軸的機械結構，一般要求主軸具備1 （1001000）的恒轉矩調速范圍和1 10的恒功率調速范圍。3具有恒線速度切削控制功能利用車床和磨床進行工件端面加工時，為了保證端面加工時粗糙度的一致性，要求刀具切削的線速度為恒定值。隨著刀具的徑向進給，切削直徑的逐漸減小，應不斷提高主軸轉速，并維持線速度n D為常數(shù)，式中是切削線速度，為主軸轉速，為加工時切削直徑。在控制系統(tǒng)中，可由坐標軸的進給量算出，然后計算出對應的主軸轉速，以保證切削的線速度保持不變。4.能夠實現(xiàn)刀具自動更換5傳動鏈盡可能短二、主軸驅動裝置和主軸部件功率特性的匹配1主軸驅動電機的機械特性分析低速時恒轉矩特性高速時

3、恒功率特性三、數(shù)控機床主運動實現(xiàn)方式分段無級變速（1）數(shù)控機床在實際生產中，并不需要在整個變速范圍內均為恒功率。般要求在中、高速段為恒功率傳動，在低速段為恒轉矩傳動。為了確保數(shù)控機床主軸低速時有較大的轉矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎上配以齒輪變速，即解決電機驅動和主軸傳動功率的匹配問題，使之成為分段無級變速。分段無級變速圖例分段無級變速（2）分段無級變速特點 在帶有齒輪變速的分段無級變速系統(tǒng)中，主軸的正、反向啟動與停止、制動是由電動機實現(xiàn)的，主軸變速則由電動機無級變速與齒輪有級變速相配合來實現(xiàn)。 這種配置適合于大中型機床，確保主軸低速時輸出大扭矩、高速

4、時輸出恒功率特性的要求。分段無級變速（3）在帶有齒輪變速的主傳動系統(tǒng)中，液壓撥叉和電磁離合器是兩種常用的變速操縱方式。液壓撥叉工作原理 能夠帶動滑移齒輪移動實現(xiàn)變速。當通油、卸荷，滑移齒輪在最左側。當通油，卸荷，滑移齒輪在最右側。當、同時通油，套筒在最右側，活塞桿頂在套筒上，滑移齒輪在中間位置。三位液壓撥叉工作原理圖2數(shù)控機床主軸帶傳動變速主軸帶傳動變速主要是將電機的旋轉運動通過帶傳動傳遞給主軸。這種傳動方式多見于數(shù)控車床和中、小型加工中心，它可避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲。帶傳動變速圖例2數(shù)控機床主軸帶傳動變速數(shù)控機床主軸帶傳動變速常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可

5、分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。其中梯形齒多用在轉速不高或小功率動力傳動中，而圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機床主運動傳動系統(tǒng)中。同步齒形帶縱向斷面圖梯形齒圓弧齒2數(shù)控機床主軸帶傳動變速同步帶特點無滑動，傳動比準確。傳動效率高，可達98。傳動平穩(wěn)，噪聲?。◣鲃泳哂形竦墓δ埽?。使用范圍較廣，速度可達50m/s，傳動比可達10左右，傳遞功率由幾瓦至數(shù)千瓦。維修保養(yǎng)方便，不需要潤滑。3調速電機直接驅動主軸傳動數(shù)控機床般采用直流或交流主軸伺服電動機直接驅動主軸實現(xiàn)無級變速。交流主軸電動機及交流變頻驅動裝置（籠型感應交流電動機配置矢量變換變頻調速系統(tǒng)），由于沒有電刷不產生火花，所以使用

6、壽命長，且性能已達到直流驅動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應用較為廣泛。電機直接驅動原理圖3調速電機直接驅動主軸傳動主軸傳遞的功率或轉矩與轉速之間關系圖示中，當機床處在連續(xù)運轉狀態(tài)時，主軸的轉速在4373500rmin范圍內，主軸傳遞電動機的全部功率為llkW，為主軸的恒功率區(qū)域(圖中實線部分)。在這個區(qū)域內，主軸的最大輸出扭矩(245Nm)隨著主軸轉速的增高而變小。主軸轉速在35437rmin范圍內，主軸的輸出轉矩不變，稱為主軸的恒轉矩區(qū)域(圖中實線部分)。在這個區(qū)域內，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉速的降低而減小。主軸功率轉矩特性曲線四、主軸的支承方式1數(shù)控機床主軸部件常用

7、軸承類型錐孔雙列圓柱滾子軸承內圈為l 12的錐孔，當內圈沿錐形軸頸軸向移動時，內圈脹大以調整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉速高。內、外圈均較薄，因此，要求主軸頸與箱體孔均有較高的制造精度，以免軸頸與箱體孔的形狀誤差使軸承滾道發(fā)生畸變而影響主軸的旋轉精度。該軸承只能承受徑向載荷。錐孔雙列圓柱滾子軸承圖例1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型雙列推力向心球軸承接觸角60，球徑小，數(shù)目多，能承受雙向軸向載荷。磨薄中間隔套，可以調整間隙或預緊，軸向剛度較高，允許轉速高。該軸承一般與雙列圓柱滾子軸承配套用作主軸的前支承，并將其外圈外徑作成負公差，保證只承受軸向載雙列推力

8、向心球軸承圖例1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型雙列圓錐滾子軸承它有個公用外圈和兩個內圈，由外圈的凸肩在箱體上進行軸向定位，箱體孔可以鏜成通孔。磨薄中間隔套可以調整間隙或預緊，兩列滾子的數(shù)目相差個，能使振動頻率不致，明顯改善了軸承的動態(tài)特性。這種軸承能同時承受徑向和軸向載荷，通常用作主軸的前支承。雙列圓錐滾子軸承圖例1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型角接觸球軸承（1）這種類型的軸承既可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。接觸角有 =15， =25和 =40三種。15接觸角多用于軸向載荷較小，轉速較高的場合；25、40接觸角多用于軸向載荷較大的場合。將內、外圈相對軸向位移，可以調整間隙，實現(xiàn)預緊。它們多用于

9、高速主軸。角接觸球軸承圖例1數(shù)控機床主軸部件常用軸承類型角接觸球軸承（2）角接觸球軸承有三種基本組合方式圖a為背靠背組合，圖b為面對面組合，圖c為同向組合。這三種方式，兩個軸承都共同承擔徑向載荷；圖a和圖b可承受雙向軸向載荷；圖c則只能承受單向載荷，但承載能力較大，軸向剛度較高。這種軸承還可以三聯(lián)組配、四聯(lián)組配。角接觸球軸承成對使用時的幾種安裝方式a）b）c）2主軸常見支承方式前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60角接觸雙列向心推力球軸承組合(如圖a) ，后支承采用成對向心推力球軸承。此配置可提高主軸的綜合剛度，可滿足強力切削的要求，普遍用于各類數(shù)控機床主軸。2主軸常見支承方式前支承采用高精度雙列

10、向心推力球軸承(如圖b)。向心推力軸承有良好的高速性，主軸最高轉速可達4000r/min，但它的承載能力小。適于高速，輕載，高精密的數(shù)控機床主軸。2主軸常見支承方式前后支承采用雙列和單列圓錐滾子軸承(如圖c)。這種軸承徑向和軸向剛度高，能承受重載荷，尤其是可承受較強的動載荷。安裝，調整性能好，但這種支承方式限制了主軸轉速和精度，所以用于中等精度，低速，重載的數(shù)控機床的主軸。數(shù)控機床主軸常見支承方式圖例3主軸支承的典型結構如圖所示為數(shù)控車床主軸，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承承受徑向載荷和60角接觸雙列向心推力球軸承承受軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，適用于中等轉速，能承受較大的切削負載，

11、主軸剛性高。數(shù)控車床主軸支承圖例3主軸支承的典型結構 （2）圖示為臥式銑床主軸支承，軸的徑向剛度好，并有較高的轉速。臥式銑床主軸支承圖例3主軸支承的典型結構 （3）圖示為臥式鏜銑床主軸部件的支承，這種支承方式可以承受雙向軸向載荷和徑向載荷，承載能力大，剛性好，結構簡單。臥式鏜銑床主軸支承圖例五、數(shù)控機床典型主軸部件1高速主軸與電主軸（1）隨著電氣傳動技術(變頻調速技術、電動機矢量控制技術等)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機床主傳動的機械結構已得到極大的簡化，取消了帶傳動和齒輪傳動，機床主軸由內裝式電動機直接驅動，從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了機床主運動的“零傳動”。 稱為“主軸單元”

12、或“電主軸”。電主軸是一種智能型功能部件，不但轉速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動等機床運行參數(shù)的功能，以確保其高速運轉的可靠性與安全。電主軸的結構和系統(tǒng)基本配置1高速主軸與電主軸（2）國內外專業(yè)的電主軸制造廠已可供應幾百種規(guī)格的電主軸。其套筒直徑從32mm至320mm、轉速從10000r/min到150000r/min、功率從0.5kW到80kW、轉矩從0.1Nm到300Nm。除可滿足各類高速切削的要求外，還可供應各種規(guī)格帶錐柄用于現(xiàn)有普通加工中心、銑床、鉆床作增速用的電主軸。用于普通加工中心作增速用的電主軸圖例1高速主軸與電主軸（3）國際上著名的電主軸生產廠家 瑞士FISCHER公

13、司、IBAG公司和STEPUP公司，德國的GMN公司和FAG公司； 美國的PRECISE公司； 意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司； 日本的NSK公司和KOYO公司 瑞典的SKF公司等。1高速主軸與電主軸（4）電主軸的基本參數(shù)和主要規(guī)格 套筒直徑、最高轉速、輸出功率、轉矩和刀具接口等，其中套筒直徑為電主軸的主要參數(shù)。1高速主軸與電主軸（5）高速電主軸的典型結構（1） 主軸由前后兩套滾珠軸承來支承。 電動機的轉子用壓配合的方法安裝在機床主軸上，處于前后軸承之間，由壓配合產生的摩擦力來實現(xiàn)大轉矩的傳遞。1高速主軸與電主軸（5）高速電主軸的典型結構（2）電動機的定子通過一個冷卻套固裝在電主

14、軸的殼體中。這樣，電動機的轉子就是機床的主軸，電主軸的箱體就是電動機座，成為機電一體化的一種新型主軸系統(tǒng)。主軸的轉速用電動機的變頻調速與矢量控制裝置來改變。在主軸的后部安裝有齒盤和測速、測角傳感器。主軸前端外伸部分的內錐孔和端面，用于安裝和固定加工中心可換的刀柄。電主軸典型結構圖例2JCS-018A加工中心主軸部件（1）如圖所示為主軸箱結構簡圖，主要由四個功能部件構成，分別是主軸部件、刀具自動夾緊機構、切屑清除裝置和主軸準停裝置。1-主軸2-拉釘3-鋼球4-前支承5-鎖緊螺母6-后支承7-拉桿8-蝶形彈簧9-圓柱彈簧10-活塞11-液壓缸2JCS-018A加工中心主軸部件（2）主軸基本構成（1

15、）主軸的前支承4配置了三個高精度的角接觸球軸承，用以承受徑向載荷和軸向載荷，前兩個軸承大口朝下，后面一個軸承大口朝上。前支承按預加載荷計算的預緊量由螺母5來調整。后支承6為一對小口相對配置的角接觸球軸承，它們只承受徑向載荷，因此軸承外圈不需要定位。該主軸選擇的軸承類型和配置形式，滿足主軸高轉速和承受較大軸向載荷的要求。主軸受熱變形向后伸長，不影響加工精度。2JCS-018A加工中心主軸部件（3）主軸基本構成（2） 主軸內部和后端安裝的是刀具自動夾緊機構。它主要由拉桿7、拉桿端部的四個鋼球3、碟形彈簧8、活塞10、液壓缸11等組成。2JCS-018A加工中心主軸部件（4）主軸工作原理（1） 取用

16、過刀具過程CNC發(fā)出換刀指令液壓缸（7）右腔進油活塞（6）左移推動拉桿（4）克服彈簧（5）的作用左移帶動鋼球（12）移至大空間鋼球失去對拉釘（2）的作用取刀2JCS-018A加工中心主軸部件（5）主軸工作原理（2） 吹掃過程 舊刀取走后CNC發(fā)出指令空壓機啟動壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣管接頭（9）吹掃裝刀部位并用定時器計時2JCS-018A加工中心主軸部件（6）主軸工作原理（3）裝刀過程 時間到CNC發(fā)出裝刀指令機械手裝新刀液壓缸右腔回油拉桿（4）在碟形彈簧的作用下復位拉桿帶動拉釘右移至小直徑部位通過鋼球將拉釘卡死2JCS-018A加工中心主軸部件（7）機床的切削轉矩是由主軸上的主軸轉矩的傳遞端面鍵來傳遞的。主軸的準停功能每次機械手自動裝取刀具時，必須保證刀柄上的鍵槽對準主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設計的裝置稱為主軸準停裝置或稱為主軸定向裝置。2JCS-018A加工中心主軸部件（8）電氣式主軸準停裝置即用電磁傳感器檢測定向。如圖所示，主軸8的尾部安裝有發(fā)磁體9，它隨主軸轉動，在距發(fā)磁體外緣14mn處，固定了一個磁傳感器10,它經(jīng)過放大器11與主軸伺服單元3聯(lián)接。主軸定向指令l發(fā)出后，主軸處于定向狀態(tài)，當發(fā)磁體上的判別孔轉到對準磁傳感器上的基準槽時，主軸立即停止。圖中5為電動機與主軸之間的同步齒形帶，4為主軸電動機，2為強電時序電路，7為