第二講數(shù)控機(jī)床主軸部件

1、第二講 數(shù)控機(jī)床主軸部件武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院主講教師 周蘭數(shù)控機(jī)床裝調(diào)與維修本講主要內(nèi)容對(duì)主軸驅(qū)動(dòng)的要求主軸驅(qū)動(dòng)裝置和主軸部件功率特性的匹配數(shù)控機(jī)床主軸傳動(dòng)方式、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍主軸的支承方式數(shù)控機(jī)床典型主軸部件一、對(duì)主運(yùn)動(dòng)部件要求1轉(zhuǎn)速高、功率大數(shù)控機(jī)床主軸驅(qū)動(dòng)要求有較大的調(diào)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(zhì)量及高的生產(chǎn)效率。特別是對(duì)于具有自動(dòng)換刀裝置的加工中心，為適應(yīng)各種刀具、各種材料的加工，對(duì)主軸的調(diào)速范圍要求更高。2調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)速范圍內(nèi)進(jìn)行無級(jí)連續(xù)調(diào)速，

2、減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，簡化主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)，一般要求主軸具備1 （1001000）的恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速范圍和1 10的恒功率調(diào)速范圍。3具有恒線速度切削控制功能利用車床和磨床進(jìn)行工件端面加工時(shí)，為了保證端面加工時(shí)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(jìn)給，切削直徑的逐漸減小，應(yīng)不斷提高主軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速，為加工時(shí)切削直徑。在控制系統(tǒng)中，可由坐標(biāo)軸的進(jìn)給量算出，然后計(jì)算出對(duì)應(yīng)的主軸轉(zhuǎn)速，以保證切削的線速度保持不變。4.能夠?qū)崿F(xiàn)刀具自動(dòng)更換5傳動(dòng)鏈盡可能短二、主軸驅(qū)動(dòng)裝置和主軸部件功率特性的匹配1主軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的機(jī)械特性分析低速時(shí)恒轉(zhuǎn)矩特性高速時(shí)

3、恒功率特性三、數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式分段無級(jí)變速（1）數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中，并不需要在整個(gè)變速范圍內(nèi)均為恒功率。般要求在中、高速段為恒功率傳動(dòng)，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動(dòng)。為了確保數(shù)控機(jī)床主軸低速時(shí)有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機(jī)床在交流或直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，即解決電機(jī)驅(qū)動(dòng)和主軸傳動(dòng)功率的匹配問題，使之成為分段無級(jí)變速。分段無級(jí)變速圖例分段無級(jí)變速（2）分段無級(jí)變速特點(diǎn) 在帶有齒輪變速的分段無級(jí)變速系統(tǒng)中，主軸的正、反向啟動(dòng)與停止、制動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，主軸變速則由電動(dòng)機(jī)無級(jí)變速與齒輪有級(jí)變速相配合來實(shí)現(xiàn)。 這種配置適合于大中型機(jī)床，確保主軸低速時(shí)輸出大扭矩、高速

4、時(shí)輸出恒功率特性的要求。分段無級(jí)變速（3）在帶有齒輪變速的主傳動(dòng)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(dòng)滑移齒輪移動(dòng)實(shí)現(xiàn)變速。當(dāng)通油、卸荷，滑移齒輪在最左側(cè)。當(dāng)通油，卸荷，滑移齒輪在最右側(cè)。當(dāng)、同時(shí)通油，套筒在最右側(cè)，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(jī)床主軸帶傳動(dòng)變速主軸帶傳動(dòng)變速主要是將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過帶傳動(dòng)傳遞給主軸。這種傳動(dòng)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(dòng)時(shí)引起的振動(dòng)與噪聲。帶傳動(dòng)變速圖例2數(shù)控機(jī)床主軸帶傳動(dòng)變速數(shù)控機(jī)床主軸帶傳動(dòng)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(zhuǎn)速不高或小功率動(dòng)力傳動(dòng)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)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(jī)床主軸帶傳動(dòng)變速同步帶特點(diǎn)無滑動(dòng)，傳動(dòng)比準(zhǔn)確。傳動(dòng)效率高，可達(dá)98。傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲?。◣鲃?dòng)具有吸振的功能）。使用范圍較廣，速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)比可達(dá)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(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)數(shù)控機(jī)床般采用直流或交流主軸伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速。交流主軸電動(dòng)機(jī)及交流變頻驅(qū)動(dòng)裝置（籠型感應(yīng)交流電動(dòng)機(jī)配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒有電刷不產(chǎn)生火花，所以使用

6、壽命長，且性能已達(dá)到直流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)原理圖3調(diào)速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)主軸傳動(dòng)主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間關(guān)系圖示中，當(dāng)機(jī)床處在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，主軸的轉(zhuǎn)速在4373500rmin范圍內(nèi)，主軸傳遞電動(dòng)機(jī)的全部功率為llkW，為主軸的恒功率區(qū)域(圖中實(shí)線部分)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩(245Nm)隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在35437rmin范圍內(nèi)，主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域(圖中實(shí)線部分)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。主軸功率轉(zhuǎn)矩特性曲線四、主軸的支承方式1數(shù)控機(jī)床主軸部件常用

7、軸承類型錐孔雙列圓柱滾子軸承內(nèi)圈為l 12的錐孔，當(dāng)內(nèi)圈沿錐形軸頸軸向移動(dòng)時(shí)，內(nèi)圈脹大以調(diào)整滾道的間隙。滾子數(shù)目多，兩列滾子交錯(cuò)排列，因而承載能力大，剛性好，允許轉(zhuǎn)速高。內(nèi)、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(zhuǎn)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(jī)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(diào)整間隙或預(yù)緊，軸向剛度較高，允許轉(zhuǎn)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(fù)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(jī)床主軸部件常用軸承類型雙列圓錐滾子軸承它有個(gè)公用外圈和兩個(gè)內(nèi)圈，由外圈的凸肩在箱體上進(jìn)行軸向定位，箱體孔可以鏜成通孔。磨薄中間隔套可以調(diào)整間隙或預(yù)緊，兩列滾子的數(shù)目相差個(gè)，能使振動(dòng)頻率不致，明顯改善了軸承的動(dòng)態(tài)特性。這種軸承能同時(shí)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(jī)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(zhuǎn)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(nèi)、外圈相對(duì)軸向位移，可以調(diào)整間隙，實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。它們多用于

9、高速主軸。角接觸球軸承圖例1數(shù)控機(jī)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(duì)面組合，圖c為同向組合。這三種方式，兩個(gè)軸承都共同承擔(dān)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(duì)使用時(shí)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(duì)向心推力球軸承。此配置可提高主軸的綜合剛度，可滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍用于各類數(shù)控機(jī)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(zhuǎn)速可達(dá)4000r/min，但它的承載能力小。適于高速，輕載，高精密的數(shù)控機(jī)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(qiáng)的動(dòng)載荷。安裝，調(diào)整性能好，但這種支承方式限制了主軸轉(zhuǎn)速和精度，所以用于中等精度，低速，重載的數(shù)控機(jī)床的主軸。數(shù)控機(jī)床主軸常見支承方式圖例3主軸支承的典型結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)速，能承受較大的切削負(fù)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(jié)構(gòu) （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(zhuǎn)速。臥式銑床主軸支承圖例3主軸支承的典型結(jié)構(gòu) （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(jié)構(gòu)簡單。臥式鏜銑床主軸支承圖例五、數(shù)控機(jī)床典型主軸部件1高速主軸與電主軸（1）隨著電氣傳動(dòng)技術(shù)(變頻調(diào)速技術(shù)、電動(dòng)機(jī)矢量控制技術(shù)等)的迅速發(fā)展和日趨完善，高速數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)已得到極大的簡化，取消了帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，機(jī)床主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，從而把機(jī)床主傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的“零傳動(dòng)”。 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(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全。電主軸的結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)基本配置1高速主軸與電主軸（2）國內(nèi)外專業(yè)的電主軸制造廠已可供應(yīng)幾百種規(guī)格的電主軸。其套筒直徑從32mm至320mm、轉(zhuǎn)速從10000r/min到150000r/min、功率從0.5kW到80kW、轉(zhuǎn)矩從0.1Nm到300Nm。除可滿足各類高速切削的要求外，還可供應(yīng)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(chǎn)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(zhuǎn)速、輸出功率、轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)（1） 主軸由前后兩套滾珠軸承來支承。 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子用壓配合的方法安裝在機(jī)床主軸上，處于前后軸承之間，由壓配合產(chǎn)生的摩擦力來實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。1高速主軸與電主軸（5）高速電主軸的典型結(jié)構(gòu)（2）電動(dòng)機(jī)的定子通過一個(gè)冷卻套固裝在電主

14、軸的殼體中。這樣，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子就是機(jī)床的主軸，電主軸的箱體就是電動(dòng)機(jī)座，成為機(jī)電一體化的一種新型主軸系統(tǒng)。主軸的轉(zhuǎn)速用電動(dòng)機(jī)的變頻調(diào)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(nèi)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(jié)構(gòu)圖例2JCS-018A加工中心主軸部件（1）如圖所示為主軸箱結(jié)構(gòu)簡圖，主要由四個(gè)功能部件構(gòu)成，分別是主軸部件、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)、切屑清除裝置和主軸準(zhǔn)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(gòu)成（1

15、）主軸的前支承4配置了三個(gè)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(gè)軸承大口朝下，后面一個(gè)軸承大口朝上。前支承按預(yù)加載荷計(jì)算的預(yù)緊量由螺母5來調(diào)整。后支承6為一對(duì)小口相對(duì)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(zhuǎn)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(gòu)成（2） 主軸內(nèi)部和后端安裝的是刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)。它主要由拉桿7、拉桿端部的四個(gè)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(jìn)油活塞（6）左移推動(dòng)拉桿（4）克服彈簧（5）的作用左移帶動(dòng)鋼球（12）移至大空間鋼球失去對(duì)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(jī)啟動(dòng)壓縮空氣經(jīng)壓縮空氣管接頭（9）吹掃裝刀部位并用定時(shí)器計(jì)時(shí)2JCS-018A加工中心主軸部件（6）主軸工作原理（3）裝刀過程 時(shí)間到CNC發(fā)出裝刀指令機(jī)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(fù)位拉桿帶動(dòng)拉釘右移至小直徑部位通過鋼球?qū)⒗斂ㄋ?JCS-018A加工中心主軸部件（7）機(jī)床的切削轉(zhuǎn)矩是由主軸上的主軸轉(zhuǎn)矩的傳遞端面鍵來傳遞的。主軸的準(zhǔn)停功能每次機(jī)械手自動(dòng)裝取刀具時(shí)，必須保證刀柄上的鍵槽對(duì)準(zhǔn)主軸的端面鍵，這就要求主軸具有準(zhǔn)確定位的功能。為滿足主軸這一功能而設(shè)計(jì)的裝置稱為主軸準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhuǎn)動(dòng)，在距發(fā)磁體外緣14mn處，固定了一個(gè)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(dāng)發(fā)磁體上的判別孔轉(zhuǎn)到對(duì)準(zhǔn)磁傳感器上的基準(zhǔn)槽時(shí)，主軸立即停止。圖中5為電動(dòng)機(jī)與主軸之間的同步齒形帶，4為主軸電動(dòng)機(jī)，2為強(qiáng)電時(shí)序電路，7為