《機械制造工程學(xué)》課件第三章

第三章金屬切削機床3.1概述3.2金屬切削機床的主要部件

3.1概述

機械制造裝備的組成包括四部分:①金屬切削機床;②工藝裝備，常簡稱為工裝，包括各種刀具、模具、夾具、量具等工具；③倉儲物料傳送裝置；④輔助裝備，包括清洗機和排屑等設(shè)備。

3.1.1金屬切削機床簡介

金屬切削機床是進行切削加工的主要設(shè)備,是指用切削刀具對金屬毛坯進行切削加工,以獲得一定尺寸和表面質(zhì)量的機械零件的機器,簡稱機床。3.1.2機床發(fā)展的新趨勢

1.超高速加工機床

1)超高速切削技術(shù)的背景與內(nèi)涵

超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料刀具和磨具,利用能可靠地實現(xiàn)高速運動的高精度、高自動化和高柔性的制造設(shè)備,以提高切削速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的先進加工技術(shù)。

2)超高速切削機床的系統(tǒng)

(1)超高速切削機床的主軸系統(tǒng)。

在超高速運轉(zhuǎn)條件下,傳統(tǒng)的齒輪變速和皮帶傳動方式已不能適應(yīng)要求,代之以寬調(diào)速交流變頻電機來實現(xiàn)數(shù)控機床主軸的變速,從而使機床主傳動的機械結(jié)構(gòu)大為簡化,形成了一種新型的功能部件——主軸單元。

(2)超高速切削機床的進給系統(tǒng)。超高速切削機床的進給系統(tǒng)是評價超高速機床性能的重要指標之一，不僅對提高生產(chǎn)效率有重要的意義,而且也是維持超高速切削中刀具正常工作的必要條件。傳統(tǒng)機床采用旋轉(zhuǎn)電機帶動滾珠絲杠的進給方案,由于其工作臺的慣性以及受螺母絲杠本身結(jié)構(gòu)的限制,進給速

度和加速度一般比較小。目前,快速進給速度很難超過

60m/min,進給速度通常低于40m/min,最高加速度很難突破1g。進給運動只有采用直線電機直接驅(qū)動，才能獲得更高的進給速度。這種驅(qū)動形式具有以下特點：運動速度高，最大進給速度高達100～180m/min；加速度高，由于結(jié)構(gòu)簡單，質(zhì)量輕，因此最大加速度高達2g～10g；具有無限運動長度；定位精度和跟蹤精度高，如以光柵尺為定位測量元件，

采用閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)，工作臺的定位精度高達0.1～

0.01μm；啟動推力大，最高可達12000N；運動平穩(wěn)，由于無傳動環(huán)節(jié)，因而無往返程空隙。

3)超高速切削機床的刀具夾持系統(tǒng)。

為了適應(yīng)超高速銑削主軸與刀具連接的要求,一些研究機構(gòu)和刀具企業(yè)開發(fā)了一種可在主軸內(nèi)孔錐面和端面同時定位的新型連接方式——兩面定位刀柄系統(tǒng)。其中，最具代表性的是日本的BIG-PLUS刀柄系統(tǒng)和德國的HSK刀柄系統(tǒng)。目前,兩面定位刀柄系統(tǒng)在安裝時重復(fù)定位精度高(軸向重復(fù)定位精度可達1μm),在高度轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的離心力的作用下,刀柄會牢固鎖緊,其徑向跳動不會超過5μm,在較大轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可保持高的靜態(tài)和動態(tài)剛度。圖3-1德國HSK刀柄系統(tǒng)示意圖

HSK刀柄系統(tǒng)是由德國阿亨工業(yè)大學(xué)及40余家機床廠家、刀具廠商和用戶共同開發(fā)的,于1992年列入德國工業(yè)標準DIN6983。HSK刀柄系統(tǒng)如圖3-1所示。這種刀柄以錐度1∶10代替?zhèn)鹘y(tǒng)的7∶24,楔作用較強,用錐面和法蘭端面進行雙定位，轉(zhuǎn)速高時,錐體向外擴張,增加了壓緊力。力膨脹夾頭的原理如圖3-2所示。刀柄孔呈三棱形,在裝夾刀具時,先用輔助裝置在三棱孔的三個頂點施加預(yù)先調(diào)整好的作用力,使刀柄孔變形成圓形,然后把刀具插入刀柄,再除去變形外力,刀柄孔彈性恢復(fù),刀具就被夾持在孔內(nèi)。這種夾頭的優(yōu)點是裝夾精度高,操作簡單,結(jié)構(gòu)緊湊,造價較低;缺點是必須備有一個輔助的加力裝置。圖3-2力膨脹夾頭的原理

2.并聯(lián)運動機床

1)并聯(lián)運動機床的工作原理

圖3-3所示為一臺比較典型的并聯(lián)運動機床的外觀圖。圖中，工件安裝在工作臺上,工作臺固定不動,與刀具相連的主軸的位置(動平臺)受六根可改變長度的桿控制,每根桿

由一個獨立的伺服電機驅(qū)動,其長度通過精密滾珠絲杠傳動來改變。圖3-3并聯(lián)運動機床的外觀圖圖3-4是普通的并聯(lián)運動機床坐標系。圖中，靜坐標系Oxyz建立在固定平臺上,固定平臺與機床的床身和框架相連，動坐標系O′x′y′z′建立在動平臺上,動平臺與刀具相連,通過坐標變換的方法可建立兩種坐標系的聯(lián)系。圖3-4并聯(lián)運動機床坐標系

2)與并聯(lián)運動機床配套的新型功能部件

(1)專用的球面支承。

(2)六軸精密定位系統(tǒng)。

這種系統(tǒng)由伺服電動機、滾珠絲杠傳動組成。其重復(fù)定位精度在x、y、z軸為±2μm。

3.復(fù)合機床

圖3-5所示是瑞士一家企業(yè)的產(chǎn)品。具有代表性的還有奧地利WFLMillTunTechnologies公司的M65和M60-G，日本MAZAK公司的100Ⅲ、200Ⅲ、300Ⅲ系列及QTN100MS、250MSY、350M系列，德國INDEX公司的TRAUBTNX65和DMG公司的TWIN65等多種臥式車銑復(fù)合加工機床。圖3-5瑞士WILLEMIN公司的W-518MT結(jié)構(gòu)示意圖3.2金屬切削機床的主要部件

3.2.1主軸、電主軸和軸承

1.主軸部件的基本結(jié)構(gòu)要求

1)旋轉(zhuǎn)精度

主軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后,在無載荷、低速轉(zhuǎn)動條件下,安裝工件或刀具的主軸部位的徑向和端面圓跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于主軸、軸承、箱體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。

2)剛度

主軸部件的剛度是指其在外加載荷的作用下抵抗變形的能力,通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時,在位移方向所施加的作用力來定義。主軸部件的剛度是綜合剛度,

它是主軸系統(tǒng)中各零部件剛度的綜合反映。

3)抗振性

主軸部件的抗振性是指抵抗受迫振動和自激振動的能力。在加工過程中,振動會使工件和刀具之間產(chǎn)生相對位移,嚴重地破壞工件和刀具之間正常的運動軌跡。振動還會惡化加工表面的質(zhì)量，縮短刀具和機床的壽命,嚴重時會使加工無法進行。

4)溫度與熱變形

主軸部件工作時,軸承的摩擦形成熱源,切削熱和齒輪嚙合熱的傳遞會導(dǎo)致主軸部件溫度升高,產(chǎn)生熱變形。主軸熱變形可引起軸承間隙變化,導(dǎo)致軸心位置發(fā)生偏移,定位基面的形狀尺寸和位置發(fā)生變化。潤滑油溫度升高后會使黏度降低,阻尼產(chǎn)生變化。例如，高精度機床在室溫為20℃,連續(xù)運轉(zhuǎn)的情況下允許的溫升為8～10℃,精密機床為15～20℃,普通機床為30～40℃;室溫不是20℃時,溫升Tt的許用值可按下式計算:

Tt=T20+Kt(t－20)

式中,Kt為潤滑劑修正系數(shù)。潤滑油牌號為32、46時,Kt分別為0.6、0.5;脂潤滑時,Kt為0.9。

5)精度保持性

主軸部件的精度保持性是指長期地保持其原始制造精度的能力。主軸部件喪失其原始精度的主要原因是磨損,所以精度保持性又稱為耐磨性。磨損的速度不僅與摩擦的種類有關(guān),而且與結(jié)構(gòu)特點、表面粗糙度、材料的熱處理方式、潤滑以及使用條件等許多因素都有關(guān)系。

2.主軸部件結(jié)構(gòu)

1)主軸的結(jié)構(gòu)形狀

主軸的結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜,應(yīng)滿足使用要求、結(jié)構(gòu)要求及加工和裝配工藝性要求等。主軸端部是安裝刀具、夾具的部位,其結(jié)構(gòu)形狀取決于機床類型。安裝方式應(yīng)保證刀具或夾具定心準確,連接可靠,裝卸方便,懸伸量短,并能夠傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩等。通用機床的主軸端部結(jié)構(gòu)已標準化,設(shè)計時可查相應(yīng)的機床標準。有些機床(如臥式車床、轉(zhuǎn)塔車床、自動車床、

銑床等)的主軸必須是空心的,用來通過棒料、拉桿以及取出頂尖等。對于主軸上需安裝氣動、電動和液壓式工件自動夾緊裝置的機床,如臥式車床,主軸尾部應(yīng)有安裝基面及相應(yīng)的連接部位。主軸上要安裝各種傳動件、軸承、緊固件及密封件等,其結(jié)構(gòu)形狀應(yīng)考慮這些零件的類型、數(shù)量、安裝定位及緊固方式。

主軸的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有主軸前軸頸直徑D1、主軸后軸頸直徑D2、主軸內(nèi)孔直徑d、主軸前端懸伸量a和主軸主要支承間的跨距L,如圖3-6所示。圖3-6主軸結(jié)構(gòu)簡圖

2)主軸的技術(shù)要求

圖3-7所示為機床主軸簡圖。圖中,軸頸A和B是主軸旋轉(zhuǎn)精度的基礎(chǔ),其公共軸心線A－B即為設(shè)計基準。為保證主軸的旋轉(zhuǎn)精度,應(yīng)嚴格控制軸頸的精度和表面粗糙度。軸頸A和B的公共軸心線又是前錐孔的工藝基準及各重要表面的檢驗基準。可以控制A、B表面的圓度和同軸度,也可控制這兩個表面的徑向圓跳動。普通精度機床的主軸軸頸尺寸常取IT5,形狀公差值一般為尺寸公差的1/4～1/3。圖3-7機床主軸簡圖主軸前端短錐面是卡盤定心面,其表面的徑向圓跳動以及法蘭的端面圓跳動、安裝齒輪表面的徑向圓跳動均以公共軸心線A－B為基準進行測量,其數(shù)值參見機床精度標準的相關(guān)規(guī)定。其中，齒輪表面的徑向圓跳動可略小于直徑公差一半。主軸安裝滾動軸承處軸頸表面粗糙度Ra＝0.4μm,安裝滑動軸承處軸頸表面粗糙度Ra＝0.2μm。

3)主軸滾動支承

主軸支承是主軸組件的重要組成部分,它是主軸軸承、支承座及其相關(guān)零件的組合體,其中核心元件是軸承。因此,采用滾動軸承的支承稱為主軸滾動支承;采用滑動軸承的支承稱為主軸滑動支承。滾動軸承的主要優(yōu)點是：適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動的范圍大;能在零間隙或負間隙(一定的過盈量)條件下穩(wěn)定轉(zhuǎn)動,具有較高的剛度和旋轉(zhuǎn)精度;軸承潤滑容易,維修、供應(yīng)方便,摩擦系數(shù)小。其缺點是：滾動軸承的滾動體數(shù)目有限,剛度是變化的,阻尼也較小,容易引起振動和噪聲;徑向尺寸較大。滑動軸承具有抗振性好、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、旋轉(zhuǎn)精度高、剛度大及徑向尺寸小等優(yōu)點,但制造、維修比較困難,并受使用場合的限制,如立式主軸漏油問題較難解決等。為提高剛度和抗振性,有的機床主軸采用三個支承。三個支承中可以前、后支承為主要支承,中間支承為輔助支承，也可以前、中支承為主要支承,后支承為輔助支承。圖3-8所示為一加工中心的主軸箱展開圖。三支承方式對支承孔的同心度要求較高,制造裝配比較復(fù)雜。對于主支承部位,一般要消除間隙或者預(yù)緊；對于輔助支承，則保留一定的徑向間隙或選用較大的軸承。由于三處軸頸和箱體上的三個孔不可能絕對同軸,因此三個軸承不能都預(yù)緊,以免相互產(chǎn)生干涉,從而導(dǎo)致主軸工作狀況惡化,使空載功率大幅度上升和軸承溫升過高。在三支承中,采用前、中支承為主要支承的較多。

(1)圓錐孔雙列圓柱滾子軸承(NN3000K型,原3182100型)。雙列圓柱滾子軸承中,滾子直徑小,數(shù)量多(為50～60個),具有較高的剛度;兩列滾子交錯布置,減少了剛度的變化量;外圈無擋邊,加工方便;主軸內(nèi)孔為錐孔,錐度為1∶12,軸向移動內(nèi)圈使之徑向變形,可調(diào)整徑向間隙和預(yù)緊;采用黃銅實體保持架,利于軸承散熱;滾道槽可開在內(nèi)圈或外圈上。

圖3-8所示的后支承，內(nèi)圈錐孔與主軸的錐形軸頸相配合,當二者產(chǎn)生相對軸向位移時,可把較薄的內(nèi)圈脹大,達到改變徑向間隙或預(yù)緊的目的。

這種軸承結(jié)構(gòu)緊湊,能承受較大的徑向載荷及較高轉(zhuǎn)速,滾子數(shù)量多且交叉排列,抗振性好,但不能承受軸向載荷,適用于載荷較大、高速及精密機床主軸部件。圖3-8主軸箱展開圖

(2)雙向推力角接觸球軸承(234000B型,原2268100型)。

這種軸承的接觸角為60°,滾動體直徑小,極限轉(zhuǎn)速高;外圈和箱體孔為間隙配合,安裝方便,且不承受徑向載荷;與圓錐孔雙列圓柱滾子軸承配合使用。如圖3-8中前支承所示,這種軸承由一個外圈、兩個內(nèi)圈、中間隔套及兩列鋼球組成。修磨中間隔套的厚度可調(diào)整軸承間隙或預(yù)緊。此類軸承主要用于承受兩個方向的軸向載荷。軸承外圈開有油槽和油孔,以利于潤滑油進入軸承。這種軸承的主要優(yōu)點是承載能力大,剛度高,允許轉(zhuǎn)速高,溫升較低,抗振性較好,適用于較大的高速、精密機床主軸組件。圖3-9是一種常見的CNC車床主軸組件。和圖3-8不同，圖3-9所示的軸端和內(nèi)孔結(jié)構(gòu)適用于車削夾具的安裝。圖3-9CNC車床主軸組件

(3)圓錐滾子軸承。圓錐滾子軸承有單列和雙列兩類,每類又有空心和實心兩種,如圖3-10所示。單列圓錐滾子軸承可以承受徑向載荷和一個方向的軸向載荷。雙列圓錐滾子軸承能承受徑向載荷和兩個方向的軸向載荷。雙列圓錐滾子軸承有一個公用外圈、兩個內(nèi)圈,且內(nèi)圈小端無擋邊,可取出內(nèi)圈,修磨中間隔套,調(diào)整預(yù)緊量。圖3-10圓錐滾子軸承

(4)推力軸承。推力軸承只能承受軸向載荷,它的軸向承載能力和剛度較大。推力軸承在轉(zhuǎn)動時滾動體會產(chǎn)生較大的離心力,擠壓在滾道的外側(cè)。由于滾道深度較小,因此為防止?jié)L道的劇烈磨損,推力軸承允許的極限轉(zhuǎn)速較低。

(5)陶瓷滾動軸承。陶瓷滾動軸承是近年來發(fā)展迅速的一種新型滾動軸承,其安裝尺寸與鋼制軸承相同,可以互換。

現(xiàn)已制成角接觸和雙列短圓柱兩種形式。陶瓷滾動軸承采用的陶瓷材料為Si3N4,由于此材料的密度和線脹系數(shù)小,彈性模量大,因此這種軸承重量輕,離心力小,可減小壓力和滑動摩擦。常用的陶瓷滾動軸承有三種類型:

①滾動體用陶瓷材料制成,而內(nèi)、外圈仍用軸承鋼制造。②滾動體和內(nèi)圈用陶瓷材料制成,外圈用軸承鋼制造。③全陶瓷軸承,即滾動體及內(nèi)、外圈都用陶瓷材料制成。

(6)磁懸浮軸承。

磁懸浮軸承的工作原理如圖3-11所示。它由轉(zhuǎn)子、定子兩部分組成。轉(zhuǎn)子由電磁鐵材料制成,壓入回轉(zhuǎn)軸承回轉(zhuǎn)筒中;定子也由相同材料制成。定子繞組產(chǎn)生磁場,將轉(zhuǎn)子懸浮起來,通過4個位置傳感器不斷檢測轉(zhuǎn)子的位置。圖3-11磁懸浮軸承的工作原理圖如果轉(zhuǎn)子位置不在中心位置,則位置傳感器測得其偏差

信號,并將信號放大后傳送給控制裝置,控制裝置調(diào)整4個定子繞組的勵磁功率,使轉(zhuǎn)子精確地回到要求的中心位置。圖3-12所示為采用磁懸浮軸承的主軸結(jié)構(gòu)圖。圖3-12采用磁懸浮軸承的主軸結(jié)構(gòu)圖

4)主軸滾動軸承的配置形式

(1)徑向軸承配置。

主軸部件無論是兩端支承還是三支承,各支承處均需配置徑向軸承。一般前支承對主軸部件性能影響較大,應(yīng)優(yōu)先選定合適的軸承,其他支承軸承的性能可略低于前支承。三支承主軸部件的松支承應(yīng)配置間隙較大的軸承。

(2)推力軸承配置。

在使用過程中,主軸通常承受兩個方向的軸向力作用,至少需要兩個相應(yīng)的推力軸承,要注意軸向力的傳遞。主軸部件必須在兩個方向上都進行軸向定位,否則,在軸向力的作用下會發(fā)生軸向竄動,破壞主軸精度和正常的工作性能。主軸部件的軸向定位依據(jù)推力軸承的布置方式而決定，通常有以下三種情況:①前端定位。圖3-13(a)所示為推力軸承布置于前端支承。采用此結(jié)構(gòu),主軸受熱伸長并不影響前端的軸向精度;主軸在軸向切削力的作用下受壓段較短,縱向穩(wěn)定性較好,有利于提高主軸部件的剛度及抗振性。其缺點是前支承結(jié)構(gòu)復(fù)雜,溫升較高。這種結(jié)構(gòu)適用于高速精密機床主軸以及對抗振性要求較高的普通機床主軸。圖3-13主軸部件的軸向定位方式②后端定位。圖3-13(b)所示為兩個推力軸承均布置在后支承。其特點是前支承結(jié)構(gòu)簡單,發(fā)熱小,但主軸受熱后會向前伸長,影響主軸的軸向精度,剛度和抗振性較差。這種結(jié)構(gòu)適用于對剛度要求較低、轉(zhuǎn)速不高、普通精度的機床。③兩端定位。圖3-13(c)所示為主軸推力軸承分別布置在前、后支承處,用來分別承受兩個方向的軸向力。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單;間隙調(diào)整方便,只需要在一端調(diào)整兩個軸承的間隙。其缺點是主軸部件受熱伸長會改變軸承間隙,影響旋轉(zhuǎn)精度和軸承壽命,剛度和抗振性變差。這種結(jié)構(gòu)適用于間

歇變化不影響主軸部件正常工作的主軸,或長度較短的主軸,如鉆床、電主軸組合機床等。圖3-14所示為坐標鏜床主軸部件。圖3-14T4163B型坐標鏜床主軸部件

(3)三支承配置。

機床主軸通常采用兩端支承,結(jié)構(gòu)簡單,制造、裝配方便,容易保證精度,可滿足使用要求，但一些大型、重型機床設(shè)備多采用三支承結(jié)構(gòu),其剛度和抗振性較高，對于三支承座孔同心度要求高,增加了制造、裝配的難度和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。通常為了保證其剛度和旋轉(zhuǎn)精度,需將其中的兩個支承預(yù)緊,這兩個支承稱為緊支承或主要支承;另一個支承必須具有較大的間隙,稱為松支承或輔助支承。對于一般精度機床,應(yīng)選前、中支承為主要支承,后支承為輔助支承,主要起平穩(wěn)定心的作用;對于精密機床,應(yīng)采用前、后支承為主要支承,中間支承為輔助支承,主要起增加阻尼的作用。

5)主軸滾動軸承間隙調(diào)整

主軸滾動軸承的間隙量大小對主軸部件的工作性能及軸承的壽命有重要影響。軸承在較大間隙下工作時,會造成主軸位置(徑向或軸向)的偏移而直接影響加工精度。由于軸承的承載區(qū)域較小,因此載荷集中作用于受力方向的一個或幾個滾動體上,會造成較大的應(yīng)力集中,使軸承發(fā)熱和磨損加劇,進而降低壽命,主軸部件的剛度和抗振性也大為削弱。當軸承調(diào)整為零間隙時,滾動體受力均勻,主軸旋轉(zhuǎn)精度得到提高；當軸承調(diào)整為適當?shù)呢撻g隙時,滾動體產(chǎn)生彈性變形,與滾道的接觸面積加大,則主軸部件的旋轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性都得到顯著提高。軸承預(yù)緊就是采用預(yù)加載荷的方法消除軸承間隙,使其產(chǎn)生一定的過盈量。軸承預(yù)緊分為徑向預(yù)緊和軸向預(yù)緊兩種方式。

(1)徑向預(yù)緊方式。

徑向預(yù)緊是利用軸承內(nèi)圈膨脹,以消除徑向間隙的方法。擰動軸承內(nèi)側(cè)的調(diào)整螺母推動內(nèi)圈,使之與軸頸間產(chǎn)生相對軸向位移,即可達到頂緊的目的。位移調(diào)整量的控制方式有以下三種:①無控制裝置：位移調(diào)整量的控制憑操作者的經(jīng)驗,結(jié)構(gòu)簡單,但不易準確控制。

②控制螺母：在軸承前側(cè)放置一個控制螺母用以控制調(diào)整量,但需在主軸上切削螺紋。

③控制環(huán)：在軸承前側(cè)放置兩個對開的半環(huán),可取下并修磨其厚度以控制調(diào)整量，后軸承通過修磨前側(cè)的控制環(huán)厚度來控制其調(diào)整量。

(2)軸向預(yù)緊方式。

這種方式是通過軸承內(nèi)、外圈之間的相對軸向位移進行預(yù)緊的。

圖3-15所示為角接觸球軸承的幾種預(yù)緊控制方式。圖3-15角接觸球軸承的預(yù)緊方式①修磨軸承圈。圖3-15(a)中，通過將內(nèi)圈(背靠背組配)或外圈(面對面組配)相靠的端面各磨去一定量,安裝時再把它們壓緊來實現(xiàn)預(yù)緊。其特點是：需要修磨軸承,工藝較復(fù)雜,使用中不能調(diào)整。

②內(nèi)外隔套。圖3-15(b)中，在兩個軸承的內(nèi)、外圈之間,分別安裝兩個厚度差為a的內(nèi)、外隔套。其特點是：隔套加工精度容易保證,使用效果較好,但使用中不能調(diào)整。③無控制裝置。圖3-15(c)中,兩個內(nèi)圈的位移量靠操作者的經(jīng)驗控制。其特點是：可在使用中調(diào)整,但難于準確掌握。

④彈簧預(yù)緊。圖3-15(d)中靠數(shù)個均布彈簧來控制預(yù)加載荷基本不變,軸承磨損后能自動補償間隙,效果較好。

6)主軸滾動軸承的潤滑

(1)脂潤滑。潤滑脂是由基油、稠化劑或添加劑在高溫下混合成的脂狀潤滑劑。普通潤滑脂的摩擦阻力比潤滑油略大,但高級潤滑脂(如鋰基潤滑脂)的摩擦阻力比潤滑油略小。一般潤滑脂適用于軸承的速度、溫度較低且不需要冷卻的場合。對于立式主軸以及裝于套筒內(nèi)的主軸軸承(如鉆床、坐標鏜床、立銑、龍門銑床、內(nèi)圈磨床等),宜用脂潤滑。數(shù)控加工中心主軸軸承也常用高級潤滑脂潤滑。

(2)油潤滑。油潤滑適用于速度、溫度較高的軸承,因為潤滑油黏度低，摩擦系數(shù)小,潤滑及冷卻效果都較好。適量的潤滑油可使?jié)櫥浞?同時因攪油發(fā)熱小,使得軸承的溫升及功率損耗都較低。

主軸滾動軸承常用的潤滑方式與軸承的轉(zhuǎn)速、負荷、容許溫升及軸承類型有關(guān),一般可按軸承的Dn值選擇。①滴油潤滑。滴油潤滑是指通過針閥式軸承注油杯向軸承間斷滴油。滴油潤滑簡單方便,攪油發(fā)熱較小，用于需定量供油、高速運轉(zhuǎn)的小型主軸。據(jù)瑞典SKF公司測定,主軸前支承采用NN3015K型和2344.15E型軸承匹配使用時,供油量每分鐘1～5滴為宜。②飛濺潤滑。飛濺潤滑是指利用浸入油池內(nèi)的齒輪或甩油環(huán)的旋轉(zhuǎn)使油飛濺進行潤滑。飛濺潤滑結(jié)構(gòu)簡單,但

在機床啟動后才能供油,油不能過濾，且攪油發(fā)熱及噪聲較大，用于要求不高的主軸軸承。

濺油元件的速度一般為0.8～6m/s,浸油高度可為1～3h,h為齒高。油面高度一般不能高于箱體外露最低位置的孔。③循環(huán)潤滑。循環(huán)潤滑是指出油泵供油對軸承進行潤滑。回油經(jīng)冷卻、過濾后可循環(huán)使用,能夠保證對軸承的充分潤滑,并帶走部分熱量,但攪油發(fā)熱較大,需調(diào)節(jié)供油量。循環(huán)潤滑適用于高速、重載機床的主軸軸承。

④油霧潤滑。油霧潤滑是指壓縮空氣通過專門的霧化器,再經(jīng)噴嘴將油霧噴射到軸承中。⑤噴射潤滑。噴射潤滑是指在軸承周圍均布幾個噴油嘴,周期性地將油噴射到軸承圈與保持架的間隙中,這樣能夠沖破軸承高速旋轉(zhuǎn)時所形成的“氣流隔層”,把油送到工作表面上。噴射潤滑可準確地控制供油量,潤滑效果好,但需一套專門潤滑設(shè)備,成本高，適用于高速主軸軸承。⑥油氣潤滑。油氣潤滑是針對高速主軸而開發(fā)的新型潤滑方式,用極微量的油(8～16min約0.03cm3)與壓縮空氣混合,經(jīng)噴嘴送入軸承中。油氣潤滑與油霧潤滑的區(qū)別在于：潤滑油未被霧化,而是成滴狀進入軸承,在軸承中容易沉積,不污染環(huán)境;由于使用大量空氣冷卻軸承,因此軸承溫升更低。對于角接觸滾動軸承,由于轉(zhuǎn)動離心力的甩油作用,潤滑油必須從小端進油,否則潤滑油很難進入軸承中的工作表面。

7)主軸滾動軸承密封

軸承密封的作用是防止?jié)櫥屯饬?以免增加耗油量,影響外觀和污染工作環(huán)境,防止外界灰塵、金屬屑末、冷卻液等雜質(zhì)進入而損壞軸承及惡化工作條件。脂潤滑軸承的密封作用主要是防止外界雜質(zhì)進入而引起磨損破壞作用，同時防止?jié)櫥突烊霛櫥?使之稀釋后甩離軸承,失去潤滑效果。主軸滾動軸承密封主要分為接觸式和非接觸式密封兩類。選擇密封形式應(yīng)根據(jù)軸的轉(zhuǎn)速、軸承潤滑方式、軸承的工作溫度、外界環(huán)境及軸端結(jié)構(gòu)特點等因素綜合考慮。接觸式密封在旋轉(zhuǎn)件與密封件間有摩擦,發(fā)熱較大,不宜用于高速主軸。非接觸式密封發(fā)熱小,密封件壽命長,能適應(yīng)各種轉(zhuǎn)速,因此應(yīng)用廣泛。也可采用接觸式和非接觸式密封聯(lián)合使用的方式。

8)主軸滑動軸承支承

(1)液體動壓軸承。動壓軸承依靠主軸以一定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時帶著潤滑油從間隙大處向間隙小處流動,形成壓力油膜

而將主軸浮起,并承受載荷。軸承中只能產(chǎn)生一個壓力油膜的叫單油楔動壓軸承,在載荷、轉(zhuǎn)速等工作條件變化時,其油膜厚度和位置也隨著變化,使軸心線浮動，從而降低了旋轉(zhuǎn)精度和運動平穩(wěn)性。①阿基米德曲線多油楔滑動軸承。該軸承系整體式外錐內(nèi)圓結(jié)構(gòu),如圖3-16所示。在外圓上有三條錐度為1∶20的筋,與箱體襯套錐孔相配。在內(nèi)圓上與筋對應(yīng)開有三條均布的阿基米德曲線的油槽,以形成油楔并產(chǎn)生油膜壓力,通過軸承左端相配的螺母,使外錐相對于軸承座錐孔軸向移動,則軸承產(chǎn)生彈性變形而調(diào)整間隙,一般徑向間隙為1～5μm。在三條筋旁邊有較低的三個凸面,其上開有進油孔和回油槽。潤滑油用泵強迫供油,壓力為100kPa左右,使軸承啟動時不致發(fā)生干摩擦。圖3-16固定多油楔滑動軸承這種整體動壓軸承的優(yōu)點是:內(nèi)接觸面積小,油液面積大,故剛度高,靜剛度約為180N/μm,油膜剛度約為500N/μm;間隙小,旋轉(zhuǎn)精度高;溫升低,約為5℃。但它在裝

配時前后軸承同軸度不能調(diào)整,加之軸承間隙小,因此對軸承以及箱體孔、襯套的同軸度要求很高,制造和裝配工藝復(fù)雜,僅適用于高精度磨床。②活動多油楔滑動軸承?；顒佣嘤托ɡ酶虞S瓦自動調(diào)位來實現(xiàn)油楔，如圖3-17所示。這種軸承通常由三塊或五塊瓦組成,各由一球頭螺釘支承,可以稍做擺動以適應(yīng)轉(zhuǎn)速或載荷的變化。軸瓦背面與箱體孔不接觸,而是支承在球頭螺釘上。球頭螺釘?shù)那蛎婧洼S瓦背面的凹球面經(jīng)過配對研磨,裝配時須對號入座,接觸面積不少于80%,因而具有較高的支承剛度。圖3-17活動多油楔滑動軸承借助三個螺釘可以精確調(diào)整軸承間隙,一般情況下軸瓦和軸頸之間的間隙可調(diào)整到5～15μm,而主軸的軸心飄移量可控制在1μm左右,因而具有較高的旋轉(zhuǎn)精度。三個壓力油楔能自動地適應(yīng)外加載荷,使主軸保持在接近于軸承中心位置。這種軸承還具有徑向和軸向的自動定位作用,可以

消除軸承邊側(cè)壓力集中的有害現(xiàn)象。③整體多油楔軸承。圖3-18所示為整體多油楔動壓軸承,通常用在精密機床上。其內(nèi)表面加工出三個偏心圓弧槽,

均布在圓周上,形成油楔的槽面完全靠機械加工而成,故軸承工作時的尺寸精度、接觸狀況和油楔參數(shù)等均較穩(wěn)定,拆裝后的變化也很小,維修較方便,但加工困難。圖3-18整體多油楔動壓軸承主軸正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)時都能形成三個油楔,軸承內(nèi)孔錐度為1∶20,外圓與箱體孔配合為H6/h5。軸承間隙是按主軸高速情況進行調(diào)整的,低速時僅起普通滑動軸承的作用。為改善低速性能,可采用壓力潤滑,以保證主軸啟動時不產(chǎn)生半干摩擦,并使軸承在高速或低速時都能正常工作。

(2)液體靜壓軸承。當動壓軸承的轉(zhuǎn)速低于一定值時,壓力油膜就形成不了了,如果軸承停止旋轉(zhuǎn),壓力油膜就會消失,

所以在主軸轉(zhuǎn)速較低或啟動、停止過程中,軸頸就會與軸承發(fā)生干摩擦。主軸轉(zhuǎn)速變化后壓力油膜厚度隨之變化,則軸心位置也要改變。液體靜壓軸承則由外界供給一定的壓力油于兩個相對運動的表面間,不依賴于它們之間的相對運動速度就能建立壓力油膜。液體靜壓軸承的優(yōu)點如下:①具有良好的速度和方向適應(yīng)性,既能在極低的轉(zhuǎn)速下工作,又能在極高的轉(zhuǎn)速下工作，在主軸正、反向旋轉(zhuǎn)及換向瞬間均能保持液體的摩擦狀態(tài)，因此廣泛用于磨床、車床及其他需要經(jīng)常換向的主運動主軸上。

②可獲得較強的承載能力。只要增大油泵壓力和承載面積,就可增大軸承的承載能力,故液體靜態(tài)軸承可用于重型機床中。③摩擦力小,軸承壽命長。由于是完全液體摩擦,因此摩擦系數(shù)非常小,如用20號機油時摩擦系數(shù)約為0.0005,摩擦力很小。軸頸和軸承之間沒有直接磨損,軸承能長期保持

精度。

④旋轉(zhuǎn)精度高,抗振性好。在主軸軸頸與軸承之間有一層高壓油膜,具有良好的吸振性能,使主軸運動平穩(wěn),它的油膜剛度高達800N/μm。

3.電主軸

1)概述

高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機架四個主要部分,是高速機床和并聯(lián)機床的核心部件。這四個部分構(gòu)成一個動力學(xué)性能及穩(wěn)定性良好的系統(tǒng),在很大程度上決定了機床所能達到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。它是一種機電一體化的功能部件,其電動機轉(zhuǎn)子和主軸是一體的,無需任何機械連接。改變供電頻率,就可實現(xiàn)主軸調(diào)速。高速大功率主軸單元的基本方案是采用集成內(nèi)裝式電主軸,這種結(jié)構(gòu)基本上取消了帶傳動和齒輪傳動等中間傳動環(huán)節(jié),其主軸由內(nèi)裝式電機直接驅(qū)動,從而把機床主傳動鏈的長度縮短為零,實現(xiàn)了機床主軸的“零傳動”。這是一種由內(nèi)裝式電機和機床主軸“合二為一”的傳動形式,即采用無外殼電機,將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床的主軸上,帶有冷卻套的定

子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi),形成內(nèi)裝式電機主軸,也稱為高速電主軸。在高速運轉(zhuǎn)下,主軸單元的振動問題是非常突出的,采用電主軸即是最佳的選擇,這是因為:

(1)如果電機仍采用皮帶或齒輪等方式傳動,則在高速運轉(zhuǎn)條件下,所產(chǎn)生的振動和噪聲等問題難以解決,必會影響機床的加工精度、加工表面粗糙度。

(2)為了提高生產(chǎn)率,要求在最短時間內(nèi)實現(xiàn)高的速度變化,即主軸回轉(zhuǎn)時要具有極大的角加速度。達到這個要求的最經(jīng)濟的辦法是將主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減小，

而將電機內(nèi)置,省掉齒輪、皮帶等一系列中間環(huán)節(jié)。

(3)電機內(nèi)置于主軸兩支承之間,可提高主軸系統(tǒng)的剛度和固有頻率,從而可提高其臨界轉(zhuǎn)速值。

2)電主軸的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)

(1)電主軸的基本參數(shù)。電主軸的基本參數(shù)包括:套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速、輸出功率、計算轉(zhuǎn)速、計算

轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和刀具接口等。一般電主軸型號中含有套筒直徑、最高轉(zhuǎn)速和輸出功率這三個參數(shù)。表3-1列出了德國GMN公司用于加工中心和銑床的電主軸的型號和主要參數(shù)。

(2)結(jié)構(gòu)和布局。典型的高速電主軸由前后兩套滾珠軸承來支承。電動機的轉(zhuǎn)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(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。由于轉(zhuǎn)子內(nèi)孔與主軸配合面之間有很大的過盈量,因此,在裝配時必須在油浴中將轉(zhuǎn)子加熱到200℃左右,并迅速進行熱壓裝配。電動機的定子通過一個冷卻套固裝在電主軸的殼體中,這樣電動機的轉(zhuǎn)子就是機床的主軸,電主軸的套筒就是電動機機座,形成一種新型主軸系統(tǒng)。在主軸的后部安裝有齒盤,作為電感式編碼器,以實現(xiàn)電動機的全閉環(huán)控制。主軸前端外伸部分的內(nèi)錐孔和端面用于安裝和固定可換的刀柄。

3)電主軸的性能參數(shù)

(1)精度和靜剛度。電主軸的精度包括徑向跳動、軸向跳動和軸線的扭擺。它們直接決定了加工工件的精度。

靜剛度是指主軸受力后的變形程度。靜剛度越高，工件的精度越高。

(2)臨界轉(zhuǎn)速。掌握臨界轉(zhuǎn)速,對高速回轉(zhuǎn)部件的安全運轉(zhuǎn)至關(guān)重要。廠家在設(shè)計電主軸時,已進行了精細的計算,并確保高速回轉(zhuǎn)部件的最高轉(zhuǎn)速低于臨界轉(zhuǎn)速，然而廠家一般并不將這個數(shù)據(jù)及計算用的程序(含經(jīng)驗性的修正值)告訴用戶,只是要求用戶在使用時,刀具重量不能超出規(guī)定值,其長度直徑比一般不應(yīng)大于某一數(shù)值(例如4∶1),并要求使用經(jīng)過動平衡的刀具。GMN公司還給出了在不同轉(zhuǎn)速下允許刀具的不平衡量的曲線。

(3)殘余動不平衡值及驗收振動速度值。高速回轉(zhuǎn)時,即使微小的動不平衡,也會產(chǎn)生很大的離心力(離心力與轉(zhuǎn)速的平方成正比),而使電主軸系統(tǒng)產(chǎn)生振動。為此,電主軸廠必須對電主軸系統(tǒng)進行精確的動平衡。一般都執(zhí)行ISO標準G014級,即在最高轉(zhuǎn)速時,由于殘余動不平衡而引起振動的速度的最大允許值為0.14mm/s。但每個廠家均有其內(nèi)控的殘余動不平衡值標準,在最高轉(zhuǎn)速時,出廠驗收的振動速度值一般為0.17mm/s左右。

(4)噪聲與套筒溫升值。電主軸在最高轉(zhuǎn)速時,噪聲一般應(yīng)低于70～75dB。

盡管電主軸的電動機及前軸承外周處都采用循環(huán)水冷卻,但一般仍會有一定的溫升。通常在兩個部位測量溫升,一是在套筒前端處(其溫升為T1),另一是在套筒前軸承外周處(其溫升為T2)。當電主軸在最高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)至熱平衡狀態(tài)時,一般T1應(yīng)小

于20℃,T2應(yīng)小于25℃。這個實測數(shù)值連同測量時的室溫值一般填寫在出廠的驗收單上。值得注意的是,T1、T2并非愈小愈好，這是因為內(nèi)置電動機的轉(zhuǎn)子無法冷卻,總有一定的溫升,故希望定子溫升值與轉(zhuǎn)子溫升值盡量接近。

(5)拉緊刀具的拉力值以及松開刀具所需液(氣)壓力的最小值和最大值。

用于加工中心或其他具有刀具拉緊機構(gòu)的電主軸,一般都在說明書上標明了靜態(tài)拉緊刀具的力的大小，單位為N,并用成組的碟形彈簧來實現(xiàn)刀具的拉緊。松開刀具一般采用液壓或氣壓活塞和缸。廠家會注明所需的最大和最小壓力值,以MPa為單位。德國GMN公司對具有刀具拉緊機構(gòu)的每一種規(guī)格的電主軸都提供這個數(shù)據(jù)。套筒直徑為230mm、最高轉(zhuǎn)速為24000r／min、功率為40kW的HC23024000/40型電主軸,

其靜態(tài)拉緊力為18000N(在高速回轉(zhuǎn)時,由于離心力對拉鉤的作用,拉緊力還會進一步增加),刀具松開所需液壓力最小值和最大值分別為6MPa和15MPa。

(6)使用壽命值。

由于高速運轉(zhuǎn),采用滾動軸承的電主軸工況一般比較惡劣,因此,其使用壽命總是有限的。雖然這個壽命數(shù)據(jù)對用戶至關(guān)重要,但是電主軸制造廠一般不以書面形式提供。這是因為:

①對機床而言,軸承失效形式主要不是材料表面疲勞,而是精度喪失。疲勞失效的壽命較長,可作相對較為精確的計算;精度喪失失效的壽命相對較短,很難精確計算。②精度壽命與使用的工況條件和用戶維護的水平關(guān)系很大,而且精度喪失以后,難以分清是用戶的責(zé)任還是制造廠的責(zé)任。盡管這樣,在正常使用和維護的前提下,制造廠商一般應(yīng)保證使用壽命在5000～10000h左右。一般電主軸在失效后,是完全可以通過檢修恢復(fù)到新的程度的。

(7)電主軸與刀具的接口。

此項雖不是基本參數(shù),但關(guān)系到電主軸的使用性能。

4)電主軸的支持技術(shù)和裝置

(1)電動機驅(qū)動器。無論是普通變頻器還是矢量控制驅(qū)動器,它們都含有功率電子器件、微電子器件和計算機的硬件(單片機或DSP),也含有各類控制策略的軟件等當前最為活躍且仍在迅速發(fā)展的高新技術(shù)。其技術(shù)含量和價格均高于只含定子和轉(zhuǎn)子的電動機,而且功率、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等性能

指標對價格的影響也較大。

(2)軸承潤滑部件。如果采用永久性油脂潤滑,就不需要任何潤滑部件。除油脂潤滑外,油氣潤滑部件幾乎是唯一的選擇。油氣潤滑介質(zhì)一般從軸承的一側(cè)供應(yīng)給軸承(見圖3-19)。FISCHER公司開發(fā)了一種直接潤滑系統(tǒng)(DirectLubricationSystem,DLS),見圖3-20，使油-氣直接從徑向送達接觸應(yīng)力最高之處。它可作為選件供給對電主軸要求極高的用戶。圖3-19油氣潤滑部件圖3-20FISCHER公司的直接潤滑系統(tǒng)

(3)壓縮空氣密封。具有足夠壓力和流量的壓縮空氣從迷宮密封中送出,以防止空氣中的微粒進入電主軸。當然,

密封的壓縮空氣自身必須是經(jīng)過精細過濾的。

(4)電動機及前軸承外周的冷卻部件,包含泵、水箱、熱交換器和流量計等。冷卻劑以前用油水乳化液,現(xiàn)一般用含防銹蝕添加劑的水。用油水熱交換器或根據(jù)需要采用半導(dǎo)體致冷器來冷卻已升溫的水。GMN公司提供的冷卻部件水溫控制為(23±0.7)℃(室溫為20～35℃)。當對主軸軸向位移要求更高時,水溫控制精度應(yīng)提高至±0.3℃。

(5)錐孔吹凈裝置及其控制。如果電主軸含換刀機構(gòu),則在每一次取出刀具后,需自動控制壓縮空氣將錐孔吹凈一次,以迎接新刀具的插入。

(6)安全報警及其他裝置。

①必備的部件。

a.電動機溫升報警裝置。在電動機定子三相繞組的每一繞組內(nèi),均含PTC測溫元件,溫升超過允許值時報警,且電動機停止回轉(zhuǎn)。

b.電動機冷卻用水流量報警及水箱水位的監(jiān)控裝置。

c.油氣潤滑系統(tǒng)故障報警裝置。

d.顯示刀具夾緊狀況的裝置。例如,電主軸含刀具夾緊機構(gòu),一般顯示接近開關(guān)指示的三個位置:已夾緊刀具,已夾緊但無刀具,刀具已松開。

e.電主軸啟動前,確保油氣潤滑已進行一次潤滑的互鎖裝置。

f.顯示電主軸實際轉(zhuǎn)速和負載大小的裝置。②供用戶選用的部件。

a.通過主軸孔的切削冷卻潤滑液管道(應(yīng)和吹凈錐孔的管道互不干涉)。

b.測振裝置(GMN公司、FISCHER公司可提供)。當振動過大時,報警并停車(應(yīng)注意將機床其他部件產(chǎn)生的振動信號篩出,以免由于偽信號造成電主軸不必要的停車)。

c.松開刀具用的氣壓或液壓裝置。

d.主軸受熱伸長的補償裝置(GMN公司和FISCHER公司可提供)。FISCHER公司采用精密位移傳感器測出主軸伸長量。GMN公司通過測量前軸承外環(huán)的溫度,間接推算主軸伸長量,然后通知機床數(shù)控系統(tǒng),由數(shù)控系統(tǒng)對z軸尺寸進行補償。

e.在線自動動平衡裝置(FISCHER公司可提供)。每更換一把刀,電主軸的動不平衡量就會有變化。FISCHER公司的在線自動平衡裝置可自動測出不平衡量,并自動使兩個平衡

圓盤相對轉(zhuǎn)動到一個動不平衡量最小的位置。例如,有一用戶使用長達310mm、不平衡量為70g的刀具,在轉(zhuǎn)速為10000r/min時,振動達4mm/s,使用在線自動平衡裝置后,在

1s內(nèi)振動即降至小于0.5mm/s的水平,從而保證了加工精度、表面質(zhì)量,減小了刀具磨損,延長了電主軸壽命。

f.電主軸安裝座。電主軸一般有兩種安裝方式:一種為靠外徑夾緊,此時夾緊力和夾緊面積至關(guān)重要,一般電主軸制造廠可以提出建議值;另一種為靠法蘭固定。對于大套筒電主軸,電主軸制造廠一般建議采用法蘭固定,因為它可承受

較大的轉(zhuǎn)矩。如果用戶需要,有些電主軸制造廠還可提供安裝座。

g.電主軸與數(shù)控系統(tǒng)的接口。一方面,如同一般數(shù)控機床的主軸電動機一樣,電主軸要與數(shù)控系統(tǒng)連上,以接收數(shù)控系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速、定向停止等指令;另一方面,軸承潤滑、電動機冷卻、刀具夾緊或松開等的自動控制,多數(shù)為開關(guān)量的指令,也要與數(shù)控系統(tǒng)的PLC連接。一些特殊性能,如z軸尺寸的補償?shù)?針對不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)要有不同的接口。

h.一套多用裝置。當一臺機床具有多個電主軸時,有些電主軸制造廠可供應(yīng)單一的電動機驅(qū)動器、潤滑、電動機冷卻等裝置,以降低總的費用和節(jié)省占地面積。

5)電主軸的選用

選用電主軸時應(yīng)注意:

(1)從最終用戶的實際需要出發(fā),切忌盲目地“貪高(高轉(zhuǎn)速)求大(大功率)”,以免造成性能冗余,資金浪費,維護費事,以致后患無窮。

(2)根據(jù)實際可行的切削規(guī)范,對多個典型工件的多個典型工序多做計算,少“拍腦袋”,或只是粗略地估算。

(3)不要單純依靠樣本來選用,而應(yīng)多與供應(yīng)商的銷售服務(wù)專家深入交談,向他們交實際應(yīng)用的“底”,多聽取他們有根據(jù)的有益建議。經(jīng)常有這樣的情況:在詳盡了解用戶需求后,他們會對其標準產(chǎn)品略加修改,即可提出能滿足用戶一些特殊需求的最佳方案。

(4)注意正確選擇軸承類型與潤滑方式。在滿足需求條件下,應(yīng)盡量選用陶瓷球混合軸承與永久性油潤滑的組合,這樣可省去潤滑部件并簡化維護。

GMN公司提出的選用電主軸的流程如圖3-21所示。圖3-21GMN公司選用電主軸的流程圖3.2.2機床的支承件

1.支承件的功能和應(yīng)滿足的基本要求

1)支承件的功能

機床的支承件是指床身、立柱、橫梁、底座等大件,它們相互固定并連接成機床的基礎(chǔ)架。機床上其他零部件可以固定在支承件上,或者工作時在支承件的導(dǎo)軌上運動。以車床為例,支承件是床身,固定并連接著床頭箱、進給箱和三杠(絲杠、光杠、開關(guān)杠);大刀架與溜板箱沿著床身導(dǎo)軌運動。床身不僅要承受這些部件的重力,而且還要承受切削力、傳動力和摩擦力等,在這些力的作用下,不應(yīng)產(chǎn)生過大的變形和振動;應(yīng)保證大刀架沿床身導(dǎo)軌運動的直線度和相對主軸軸線的平行度;受熱后產(chǎn)生的熱變形不應(yīng)破壞機床的原始精度;床身導(dǎo)軌應(yīng)有一定的耐用度等。

2)支承件應(yīng)滿足的基本要求

支承件的種類很多,它們的形狀、尺寸和材料是多種多樣的,但是支承件都應(yīng)滿足下列基本要求:

(1)剛度。

支承件剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力。由靜力和變形的關(guān)系所決定的剛度稱為靜剛度。由交變力和變形(即振幅)的關(guān)系所決定的剛度稱為動剛度。動剛度是衡量抗振性的主要指標之一。

(2)抗振性。支承件的抗振性是指其抵抗受迫振動和自激振動的能力。由于支承件上安裝著主軸箱、刀架等工作部件,因此,支承件的振動將影響其上的工作部件,從而影響被加工表面質(zhì)量和機床生產(chǎn)率。此外,支承件上常有大面積的薄壁結(jié)構(gòu)存在,當薄壁面積超過400mm×400mm時,可能產(chǎn)生薄壁振動,此振動帶來的噪聲常常成為機床噪聲的主要原因之一。

(3)熱變形。機床工作時,其中的傳動件、軸承與導(dǎo)軌等相對運動件的摩擦熱、切削熱、液壓系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)散發(fā)的熱、周圍環(huán)境溫度的變化等都會引起支承件溫度的變化,從而產(chǎn)生熱變形,破壞部件之間的相互位置和相對運動關(guān)系,影響機床的工作精度和幾何精度,因此支承件的熱變形是影響機床加工精度的主要因素之一。精密機床、自動機床及尺寸大的重型機床中支承件的熱變形對加工精度的影響較大,這是因為精密機床的加工精度要求高,自動機床在加工中不易調(diào)整，重型機床較小的溫差也能引起較大的誤差。一般可通過控制發(fā)熱、使熱量均勻分布、改善支承件散熱條件等措施來減小熱變形及其對精度的影響。

(4)內(nèi)應(yīng)力。支承件在焊接、鑄造和粗加工的過程中,在材料內(nèi)部形成內(nèi)應(yīng)力,會導(dǎo)致支承件變形。在使用中,由于內(nèi)應(yīng)力重新分布和逐漸消失可能使變形增大,超出機床允許的誤差范圍,因此設(shè)計支承件時應(yīng)從結(jié)構(gòu)上保證其內(nèi)應(yīng)力足夠小。例如,對于鑄造的床身、立柱等大件,在結(jié)構(gòu)設(shè)計上應(yīng)使床身各部分的金屬分布均勻,盡可能避免較薄部分向較厚部分突然轉(zhuǎn)換的過渡面,這就是本書后面介紹的結(jié)構(gòu)工藝性問題。又如，在鑄鐵中加鎳和鉻，以提高床身的耐磨性,并使內(nèi)應(yīng)力減小。在制造支承件時,還須進行時效處理。人工時效依靠加熱爐加熱鑄件,并按照一定的工藝過程冷卻來消除內(nèi)應(yīng)力,這種方法效率高,但效果不如自然時效。

2.支承件的材料

1)鑄鐵

一般支承件用灰口鑄鐵制成,在鑄鐵中加入少量合金元素如鉻、硅、稀土元素等可提高耐磨性。鑄鐵鑄造性能好,容易得到復(fù)雜的形狀,且結(jié)構(gòu)阻尼大,有良好的抗振性能,阻尼比ξ＝(0.5～3)×10－3。精密機床支承件,除粗加工前進行自然時效外,粗加工后應(yīng)進行人工時效處理,充分消除鑄造和粗加工應(yīng)力。采用振動時效時,支承件放在彈性支承(如廢輪胎)上,激振器安裝在支承件中部;激振器的頻率為一次橫向彎曲振動的共振頻率。激振器可視為質(zhì)量偏心的、偏心矩可調(diào)的無級變速電動機。這種方法時效時間短,較人工時效節(jié)能。其缺點是:按照一次彎曲共振頻率進行時效,中間部分振幅大,消除應(yīng)力效果好,兩端振幅小,效果較差。常用的鑄件牌號有HT200、HT150、HT100。HT200稱為Ⅰ級鑄鐵,抗壓抗彎性能較好,可制成帶導(dǎo)軌的支承件,不適宜制作結(jié)構(gòu)太復(fù)雜的支承件。HT150稱為Ⅱ級鑄鐵,流動性好,鑄造性能好,但機械性能較差,適用于形狀復(fù)雜的鑄件、重型機床床身、受力不大的床身和底座。HT100稱為Ⅲ級鑄鐵,機械性能差,一般用作鑲裝導(dǎo)軌的支承件。

2)鋼板焊接結(jié)構(gòu)

用鋼板和型鋼等焊接支承件,其特點是制造周期短,省去了木模制作和鑄造工藝;支承件可制成封閉結(jié)構(gòu),剛性好;便于產(chǎn)品更新和結(jié)構(gòu)改進;鋼板焊接支承件的固有頻率比鑄鐵高,在剛度要求相同的情況下,采用鋼板焊接支承件其壁厚是采用鑄鐵支承件的一半,質(zhì)量是后者的80%。隨著計算技術(shù)的應(yīng)用,可以對焊接件結(jié)構(gòu)負載和剛度進行優(yōu)化處理,即通過有限元法進行分析,根據(jù)受力情況合理布置肋板,選擇合適厚度的材料,以提高大件的動靜剛度。因

此,近20年來國外用鋼板焊接支承件代替鑄件的范圍不斷擴大,從一開始在單件和小批生產(chǎn)的重型機床和超重型機床上應(yīng)用,到后來逐步發(fā)展到一定批量的中型機床中。

3)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土

預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土主要用于制作不常移動的大型機械的機身、底座、立柱等支承件。預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土支承件

的剛度和阻尼比鑄鐵大幾倍,抗振性較好,成本較低。用鋼筋混凝土制成支承件時,鋼筋的配置對支承件的影響較大。一般三個方向都要配置鋼筋,總預(yù)拉力為120～150kN。其缺點是脆性大,耐腐蝕性差,油滲入會導(dǎo)致材質(zhì)疏松,所以表面應(yīng)噴漆或噴涂塑料。圖3-22數(shù)控車床的底座和床身示意圖圖3-22是數(shù)控車床的底座和床身。底座1為鋼筋混凝土,混凝土的內(nèi)摩擦阻尼很高,所以機床的振抗性很高;床身2為內(nèi)封砂芯的鑄鐵床身,也可提高床身的阻尼。

4)天然花崗巖

天然花崗巖性能穩(wěn)定,精度保持性好,抗振性好,阻尼系數(shù)比鋼大15倍,耐磨性比鑄鐵高5～6倍,導(dǎo)熱系數(shù)和線脹系數(shù)小,熱穩(wěn)定性好,抗氧化性強,不導(dǎo)電,抗磁,與金屬不黏合,加工方便,通過研磨和拋光容易得到很高的精度和很低的表面粗糙度值。

5)樹脂混凝土

樹脂混凝土是制造機床床身的一種新型材料,出現(xiàn)于20世紀70年代。樹脂混凝土與普通混凝土不同,它采用樹脂和稀釋劑代替水泥和水,將骨料固結(jié)成為樹脂混凝土,也稱人

造花崗巖。樹脂混凝土是以合成樹脂(不飽和聚酯樹脂、環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂)為黏結(jié)劑,加入固化劑、稀釋劑、增韌劑等,通過聚合反應(yīng)，將骨料振動、攪拌、澆注、固化而生成的一種復(fù)合材料。稀釋劑的作用是降低樹脂的粘度,使?jié)茶T時有較好的滲透力,防止固化時產(chǎn)生氣泡。增韌劑用來提高韌性,提高抗沖擊強度和抗彎強度。骨料可分為細骨料(河砂、硅砂)和粗骨料(卵石、花崗巖、石灰石等碎石)。有時還要添加一些粉末填料,以便改善樹脂混凝土的物理機械性能,如提高耐磨性、抗拉壓強度。樹脂混凝土的特點是:剛度高;具有良好的阻尼性能,阻尼比為灰鑄鐵的8～10倍,抗振性好;熱容量大,熱傳導(dǎo)率低,導(dǎo)熱系數(shù)只為鑄鐵的1／25～1／40,熱穩(wěn)定性高,其構(gòu)件熱變形小;密度為鑄鐵的1／3,質(zhì)量小;可獲得良好的幾何形狀精度,表面粗糙度值也較低:對切削油、潤滑劑、切削液有極好的耐腐蝕性;與金屬粘接力強,可根據(jù)不同的結(jié)構(gòu)要求預(yù)埋金屬件,使機械加工量減少,成本降低;澆注時無大氣污染;生產(chǎn)周期短,工藝流程短;澆注出的床身其靜剛度比鑄鐵床身提高了16％～40％。

3.鑄造床身結(jié)構(gòu)

支承件的尺寸大小、結(jié)構(gòu)形狀首先要滿足工作要求。機床的類型、用途、規(guī)格不同,支承件的形狀和大小也不同。床身、立柱、底座、橫梁均屬支承件,由于其安裝部位和作用不同,所以截面形狀也不同。圖3-23為床身和立柱常見的截面形狀。圖3-23床身及立柱常見的截面形狀圖3-23(a)為前、后、頂三面封閉的臥式機床的箱形床身。為了排除切屑,在導(dǎo)軌間開有傾斜窗口,此種截面容易鑄造,但剛度較低。圖3-23(b)為前、后、底三面封閉的床身,床身內(nèi)的空間可用于儲存潤滑油和切削液,安裝驅(qū)動機構(gòu)。在切屑不易落入導(dǎo)軌之間的情況下,小載荷臥式床身常采用這種形式,如磨床。圖3-23(c)為兩面封閉的床身,剛度較低,但便于切屑的排除和冷卻液的流通,主要用于對剛度要求不高的機床,如小型車床。圖3-23(d)是重型機床的床身,

導(dǎo)軌可多達4～5個。立柱可看做立式床身,其截面有圓形和方形兩種,如圖3-23(e)、(f)、(g)、(h)所示。

3.2.3導(dǎo)軌

1.導(dǎo)軌的功用和基本要求

導(dǎo)軌按運動性質(zhì)可分為主運動導(dǎo)軌、進給運動導(dǎo)軌和移置導(dǎo)軌。主運動導(dǎo)軌副之間相對運動速度較高,如立車花盤、龍門銑刨床、普通刨插床、拉床、插齒機等的主運動導(dǎo)軌;進給運動導(dǎo)軌副之間的相對運動速度較低,機床中大多數(shù)導(dǎo)軌屬于進給運動導(dǎo)軌。導(dǎo)軌按摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌?；瑒訉?dǎo)軌又細分為靜壓滑動導(dǎo)軌、動壓滑動導(dǎo)軌和普通滑動導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌是液體摩擦,導(dǎo)軌副之間有一層壓力油膜,多用于高精度機床進給導(dǎo)軌。動壓導(dǎo)軌也是液體摩擦,與靜壓導(dǎo)軌的區(qū)別僅在于油膜的形成不同：靜壓導(dǎo)軌靠液壓系統(tǒng)提供壓力油膜，動壓導(dǎo)軌利用滑移速度帶動潤滑油從大間隙處向狹窄處流動,形成動壓油膜，因而動壓導(dǎo)軌適用于運動速度較高的主運動導(dǎo)軌。導(dǎo)軌按受力狀態(tài)可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。開式導(dǎo)軌利用部件質(zhì)量和載荷,使部件能在導(dǎo)軌副全長上始終保持接觸。開式導(dǎo)軌不能承受較大的傾覆力矩,適用于大型機床的水平導(dǎo)軌。如圖3-24所示,當傾覆力矩較大時,為保持導(dǎo)軌副始終接觸,需增加輔助導(dǎo)軌副。

例如，圖3-25中壓板和床身導(dǎo)軌的下底面a組成輔助導(dǎo)軌副,從而形成閉式導(dǎo)軌。也可以說,閉式導(dǎo)軌去掉輔助導(dǎo)軌副就是開式導(dǎo)軌。圖3-24開式導(dǎo)軌簡圖圖3-25閉式導(dǎo)軌簡圖

(1)導(dǎo)向精度。導(dǎo)向精度主要是指導(dǎo)軌副相對運動時的直線度(直線運動導(dǎo)軌)或圓度(圓周運動導(dǎo)軌)。導(dǎo)軌的幾何精度直接影響導(dǎo)向精度,因此在國家標準中對導(dǎo)軌縱向直線度及橫向直線度的檢驗都有明確規(guī)定。接觸精度指導(dǎo)軌副摩擦面實際接觸面積占理論面積的百分比。磨削和刮研的導(dǎo)軌面其接觸精度按JB2278的規(guī)定,用著色法檢驗,以25.4mm×25.4mm面積內(nèi)的接觸點數(shù)來衡量。

(2)精度保持性。

精度保持性是導(dǎo)軌設(shè)計制造的關(guān)鍵,也是衡量機床優(yōu)劣的重要指標之一。影響精度保持性的主要因素是磨損,即導(dǎo)軌的耐磨性。常見的磨損形式有:磨料(或磨粒)磨損、黏著磨損(或咬焊)和疲勞磨損。磨料磨損常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài),磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對運動,形成對導(dǎo)軌表面的“切削”,使導(dǎo)軌面劃傷。磨料的來源是潤滑油中的雜質(zhì)和切屑微粒。磨料的硬度越高,相對運動速度越高,壓強越大,對導(dǎo)軌副的危害就越大。磨料磨損是不可避免的,因而減少磨料磨損是導(dǎo)軌保護的重點。黏著磨損又稱為分子機械磨損。在載荷作用下,實際接觸點上的接觸應(yīng)力很大,以致產(chǎn)生塑性變形,形成小平面接觸,在沒有油膜的情況下,裸露的金屬材料分子之間相互吸引和滲透,將使接觸面形成黏結(jié)而發(fā)生咬焊,即黏著磨損。當存在薄而不勻的油膜時,導(dǎo)軌副相對運動,油膜就會被壓碎破裂,造成新生表面直接接觸,產(chǎn)生咬焊黏著。導(dǎo)軌副的相對運動將是摩擦面形成黏結(jié)咬焊、撕脫、再黏著的循環(huán)過程。由此可知,黏著磨損與潤滑狀態(tài)有關(guān),在干摩擦和半干摩擦狀態(tài)時,極易產(chǎn)生黏著磨損。機床導(dǎo)軌應(yīng)避免黏著磨損。疲勞磨損發(fā)生在滾動導(dǎo)軌中。滾動導(dǎo)軌在反復(fù)接觸應(yīng)力的作用下,材料表層疲勞,將產(chǎn)生點蝕。

(3)剛度。

導(dǎo)軌承載后的變形影響部件之間的相對位置和導(dǎo)向精度，因此要求導(dǎo)軌應(yīng)具有足夠的剛度。導(dǎo)軌的變形包括接觸變形、扭轉(zhuǎn)變形以及由于導(dǎo)軌支承件變形而引起的導(dǎo)軌變形。導(dǎo)軌的變形主要取決于導(dǎo)軌的形狀、尺寸及與支承件的連接方式、受載情況等。

(4)低速運動平穩(wěn)性。當進給傳動系統(tǒng)低速轉(zhuǎn)動或間歇微量進給時,應(yīng)保證導(dǎo)軌運行平穩(wěn)、進給量準確,不產(chǎn)生爬行(時快時慢或時走時停)現(xiàn)象。低速運動平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的材料及結(jié)構(gòu)尺寸、潤滑狀況、動靜摩擦系數(shù)之差、導(dǎo)軌運動的傳動系統(tǒng)剛度有關(guān)。低速運動平穩(wěn)性對高精度機床尤為重要。

(5)結(jié)構(gòu)簡單,工藝性好。

2.導(dǎo)軌的摩擦和磨損

1)導(dǎo)軌的摩擦形式

導(dǎo)軌的摩擦形式是由結(jié)構(gòu)、速度、比壓及潤滑等因素決定的,按摩擦性質(zhì)可分為滑動摩擦和滾動摩擦?；瑒幽Σ劣捎谀Σ撩骈g潤滑及比壓等情況不同又可分為干摩擦、邊界摩擦、混合摩擦和液體摩擦。（1）干摩擦。干摩擦指兩表面間無任何潤滑劑或保護膜的純金屬接觸時的摩擦。在工程實際中，并不存在真正的干摩擦，因為任何零件的表面不僅會因氧化而形成氧化膜，而且多少會被潤滑油所濕潤或受到“油污”。通常都把人們無意加以潤滑而又不會出現(xiàn)明顯潤滑現(xiàn)象的摩擦當作“干”摩擦處理。由于干摩擦?xí)菇佑|表面之間發(fā)生劇烈磨損，因此一般在機床導(dǎo)軌使用中不允許干摩擦發(fā)生。

(2)液體摩擦。液體摩擦指兩摩擦表面被一層潤滑劑隔開而完全不接觸時的摩擦。一般情況下，它不會導(dǎo)致磨損,摩擦系數(shù)很小,發(fā)熱量也很少。液體靜壓導(dǎo)軌內(nèi)的摩擦就是液體摩擦，多用于進給運動導(dǎo)軌中,在主運動導(dǎo)軌中也有應(yīng)用。液體動壓導(dǎo)軌內(nèi)的摩擦也是液體摩擦,當導(dǎo)軌表面的相對滑動速度較高(1.5～10m/s)時,在油囊處形成油楔,因而形成有動壓效應(yīng)的液體摩擦,多用于主運動導(dǎo)軌,如龍門刨床工作臺導(dǎo)軌、立式車床工作臺圓周運動導(dǎo)軌等。

(3)邊界摩擦。在運動速度較低時,導(dǎo)軌面間不能形成動壓液體摩擦,摩擦表面形成極薄的油膜,油分子像絨毛那樣吸附在接觸表面上,其厚度小于表面粗糙度的高度,因此在摩

擦面間形成部分直接接觸和部分被油膜隔開的狀態(tài)。

(4)混合摩擦。在一定的運動速度條件下,導(dǎo)軌面間除了邊界摩擦外,還有動壓效應(yīng)存在,動壓力用以平衡一部分載荷。邊界摩擦與動壓潤滑所占百分比與運動速度、比壓有關(guān)。大部分機床進給運動導(dǎo)軌的速度較低,屬于混合摩擦,存在摩擦面直接接觸的狀態(tài)，一般導(dǎo)軌狹長,其長度與寬度的比值大,不能很好地封閉,因而潤滑系統(tǒng)不完善,易泄漏,較

難形成動壓潤滑,工作中又經(jīng)常停機、啟動和反向,容易被切屑、磨粒等污物侵入。設(shè)計中對這些不利因素必須妥善考慮。根本性的措施是把滑動摩擦改為滾動摩擦(滾動導(dǎo)軌)和液體摩擦(靜壓導(dǎo)軌)。

2)導(dǎo)軌的磨損形式

(1)磨粒磨損。這里的磨粒是指導(dǎo)軌面間存在著的堅硬的微粒,可能是由外界或潤滑油中帶入的切屑、磨粒,也可能是導(dǎo)軌面上的硬點或?qū)к壉旧砟p的產(chǎn)物,它們起著切刮或刻劃導(dǎo)軌面的作用。另外,導(dǎo)軌中較硬一面的表面凸起對較軟一面的搓削作用所引起的磨損,也稱為磨粒磨損或研磨磨損。這種磨損在機床開始運轉(zhuǎn)過程中磨損較快,經(jīng)過一段時間的運轉(zhuǎn)后,由于接觸面加大和配合質(zhì)量得到提高,磨損則較緩慢。導(dǎo)軌磨粒磨損的速度r和磨損量μ與相對滑動速度v、比壓p成正比,即

r=kpv,μ=r·t=kpvt=kps

式中:k為一定條件下的磨損速度系數(shù);s為摩擦路程;t為摩擦?xí)r間。磨粒磨損會逐漸磨掉薄層金屬,如果是均勻磨損,則對精度的影響并不嚴重。實際上由于導(dǎo)軌面上各處比壓與使用情況不同,因此各處磨損也不一樣,將使部件在移動時產(chǎn)生傾斜,影響機床加工精度。

(2)咬合磨損。咬合磨損就是相對滑動的兩個表面互相咬嚙。導(dǎo)軌表面有明顯的咬裂痕跡叫做擦傷。擦傷會加快導(dǎo)軌面的磨損,嚴重的咬合磨損會使兩個導(dǎo)軌面無法運動。

3)滾動導(dǎo)軌的疲勞和壓潰

滾動導(dǎo)軌失效的主要原因是表面疲勞和壓潰。表面受局部應(yīng)力而產(chǎn)生彈性變形,當滾動體離開時彈性恢復(fù),這種現(xiàn)象反復(fù)發(fā)生,達到一定循環(huán)次數(shù)后,表面會形成龜裂而產(chǎn)生剝落碎片,這種現(xiàn)象就是表面疲勞。壓潰是指由于局部應(yīng)力過大而使表層產(chǎn)生塑性變形,壓出凹坑。這種現(xiàn)象雖不屬磨損,但也會影響滾動體壽命。為避免壓潰現(xiàn)象發(fā)生,應(yīng)控制滾動件上的最大載荷。

3.滑動導(dǎo)軌

滑動導(dǎo)軌是基本導(dǎo)軌,其他類型的導(dǎo)軌都是以它為基礎(chǔ)發(fā)展起來的。普通滑動導(dǎo)軌的滑動面之間呈混合摩擦。與液體摩擦和滾動摩擦導(dǎo)軌相比,滑動導(dǎo)軌雖有摩擦系數(shù)大、磨損快、使用壽命短、低速、易產(chǎn)生爬行等缺點，但由于結(jié)構(gòu)簡單,工藝性好,便于保證精度、剛度,故廣泛應(yīng)用于對低速均勻性及定位精度要求不高的機床中。

1)滑動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)

(1)直線滑動導(dǎo)軌的截面形狀。直線滑動導(dǎo)軌面一般由若干個平面組成,從制造、裝配和檢驗角度來說,平面的數(shù)量應(yīng)盡可能少,常用的有矩形、三角形、燕尾形及圓柱形截面,如圖3-26所示。圖3-26直線滑動導(dǎo)軌的截面形狀這些導(dǎo)軌分別由三至四個平面組成,各個平面所起的作用也有所不同。例如，矩形導(dǎo)軌的M、J面起導(dǎo)向作用,即保證在垂直面內(nèi)的直線移動精度,M面是承受載荷的主要支承面,J面是防止運動部件抬起的壓板面,N面是保證水平面內(nèi)直線移動精度的導(dǎo)向面;在三角形導(dǎo)軌中,M、N面兼起支承和導(dǎo)向作用;在燕尾形導(dǎo)軌中,M面起導(dǎo)向和壓板面作用,

J面為支承面。根據(jù)床身或固定件上導(dǎo)軌的凸凹狀態(tài),直線滑動導(dǎo)軌又可分為凸形導(dǎo)軌(見圖3-26上排)和凹形導(dǎo)軌(見圖3-26下排)。其中,凸三角形又稱山形,凹三角形又稱V形。當導(dǎo)軌水平布置時,凸形導(dǎo)軌不易積存切屑和臟物,但也不易存油,多用在移動速度小的部件上;相反,