1、第七讲 数控机床主轴部件,数控机床与使用维修,本讲主要内容,对主轴驱动的要求 主轴驱动装置和主轴部件功率特性的匹配 数控机床主轴传动方式、特点及应用范围 主轴的支承方式 数控机床主轴的密封与润滑 数控机床典型主轴部件,一、对主轴驱动的要求,1调速范围足够大,数控机床主轴驱动要求有较大的调速范围，以满足各种工况的切削，获得最合理的切削速度，从而保证加工精度、加工表面质量及高的生产效率。特别是对于具有自动换刀装置的加工中心，为适应各种刀具、各种材料的加工，对主轴的调速范围要求更高。,2实现无级变速,数控机床主轴的速度是由数控加工程序中的指令控制的，要求能在较大的转速范围内进行无级连续调速，减少中间
2、传动环节，简化主轴的机械结构，一般要求主轴具备1（1001000）的恒转矩调速范围和110的恒功率调速范围。,3主传动要求有四象限的驱动能力,数控机床要求主轴在正、反转动时均可进行加减速控制，即要求主轴有四象限驱动能力，并尽可能缩短加减速时间。,4车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能,在车削中心上，为了使之具有螺纹车削功能，要求主轴与进给驱动实行同步控制，即主轴具有旋转进给轴（C轴）的控制功能。,5加工中心上要求主轴具有准停功能,在加工中心上自动换刀时，主轴须停止在一个固定不变的方位上，以保证换刀位置的准确以及某些加工工艺的需要，即要求主轴具有高精度的准停功能。,6具有恒线速度切削控制功能,利
3、用车床和磨床进行工件端面加工时，为了保证端面加工时粗糙度的一致性，要求刀具切削的线速度为恒定值。 随着刀具的径向进给，切削直径的逐渐减小，应不断提高主轴转速，并维持线速度nD为常数，式中是切削线速度，为主轴转速，为加工时切削直径。在控制系统中，可由坐标轴的进给量算出，然后计算出对应的主轴转速，以保证切削的线速度保持不变。,二、主轴驱动装置和主轴部件 功率特性的匹配,引言,数控机床的主轴驱动常采用直流复励电动机和交流变频电动机，并实现无级变速。由于电机功率和扭矩特性一般不能满足机床主轴的使用要求，因此需要通过一个中间装置来协调驱动电机和机床主轴部件的功率和扭矩特性，这个中间装置便是分级变速箱。,
4、1主轴驱动电机的机械特性分析(1),直流电动机无级调速 直流电动机是采用调压和调磁方式来得到主轴所需的转速。其调速范围与功率特性如图所示。 电机从最低转速至额定转速，是通过调节电枢电压，保持励磁电流恒定的方法进行调节，属于恒扭矩调速，起动力矩大，响应快，能满足低速切削需要。 从额定转速至最高转速，是通过改变励磁电流，从而改变励磁磁通，保持电枢电压恒定的方法进行调速，属于恒功率调速。,直流电动机功率特性曲线,1主轴驱动电机的机械特性分析(2),交流电动机无级调速 交流调速电动机是通过调频实现调速。交流电动机一般为笼式感应电动机结构，体积小，转动惯性小，动态响应快，且无电刷，因而最高转速不受火花限
5、制。 全封闭结构，具有空气强冷，保证高转速和较强的超载能力，具有很宽的调速范围。 举例 兰州电机厂生产的额定转速为1500r/min或2000r/min的交流调速电机，恒定功率调速范围可达1：4或1：5。,交流调速电动机功率特性曲线,2主轴驱动电机和主轴部件功率特性匹配,数控机床主轴运动的传动，电动机和主轴的功率特性必须相匹配。由于主轴要求的恒功率变速范围Rnp远大于电动机的恒功率变速范围Rdp，所以在电动机和主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率调速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。,三、数控机床主轴 传动方式、特点及应用范围,分段无级变速（1）,数控机床在实际生产中
6、，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。 般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。 为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，即解决电机驱动和主轴传动功率的匹配问题，使之成为分段无级变速。,分段无级变速图例,分段无级变速（2）,分段无级变速特点 在带有齿轮变速的分段无级变速系统中，主轴的正、反向启动与停止、制动是由电动机实现的，主轴变速则由电动机无级变速与齿轮有级变速相配合来实现。 这种配置适合于大中型机床，确保主轴低速时输出大扭矩、高速时输出恒功率特性的要求。,分段无级变速（3）,在带有齿轮变速的主
7、传动系统中，液压拨叉和电磁离合器是两种常用的变速操纵方式。 液压拨叉工作原理 能够带动滑移齿轮移动实现变速。 当通油、卸荷，滑移齿轮在最左侧。 当通油，卸荷，滑移齿轮在最右侧。 当、同时通油，套筒在最右侧，活塞杆顶在套筒上，滑移齿轮在中间位置。,三位液压拨叉工作原理图,2数控机床主轴带传动变速（1）,主轴带传动变速主要是将电机的旋转运动通过带传动传递给主轴。这种传动方式多见于数控车床和中、小型加工中心，它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声。,带传动变速图例,2数控机床主轴带传动变速（2）,数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。 同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同
8、步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。,同步齿形带纵向断面图,2数控机床主轴带传动变速（3）,同步带特点 无滑动，传动比准确。 传动效率高，可达98。 传动平稳，噪声小（带传动具有吸振的功能）。 使用范围较广，速度可达50m/s，传动比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。 维修保养方便，不需要润滑。,3调速电机直接驱动主轴传动（1）,数控机床般采用直流或交流主轴伺服电动机直接驱动主轴实现无级变速。 交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷不产生火花，所以使用寿命
9、长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，目前应用较为广泛。,电机直接驱动原理图,3调速电机直接驱动主轴传动（2）,主轴传递的功率或转矩与转速之间关系 图示中，当机床处在连续运转状态时，主轴的转速在4373500rmin范围内，主轴传递电动机的全部功率为llkW，为主轴的恒功率区域(图中实线部分)。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩(245Nm)随着主轴转速的增高而变小。 主轴转速在35437rmin范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域(图中实线部分)。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。,主轴功率转矩特性曲线,3调速电机直接驱动主轴传
10、动（3）,主轴直接驱动还有另一种方式是内置电动机主轴变速。将调速电动机与主轴合成一体（电动机转子轴即为机床主轴），这是近年来新出现的一种结构。这种变速方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴的输出转矩较小，电动机发热对主轴精度影响较大。,四、主轴的支承方式,1数控机床主轴部件常用轴承类型（1）,锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为l12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。 内、外圈均较薄，因此，要求主轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响
11、主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。,锥孔双列圆柱滚子轴承图例,1数控机床主轴部件常用轴承类型（2）,双列推力向心球轴承 接触角60，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。 磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。 该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径作成负公差，保证只承受轴向载,双列推力向心球轴承图例,1数控机床主轴部件常用轴承类型（3）,双列圆锥滚子轴承 它有个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。 磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差个，能使振动频率不致，明显改善了轴承的动态特性。 这种轴
12、承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。,双列圆锥滚子轴承图例,1数控机床主轴部件常用轴承类型（4）,角接触球轴承（1） 这种类型的轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。 接触角有=15，=25和=40三种。15接触角多用于轴向载荷较小，转速较高的场合；25、40接触角多用于轴向载荷较大的场合。 将内、外圈相对轴向位移，可以调整间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。,角接触球轴承图例,1数控机床主轴部件常用轴承类型（5）,角接触球轴承（2） 角接触球轴承有三种基本组合方式 图a为背靠背组合，图b为面对面组合，图c为同向组合。 这三种方式，两个轴承都共同承担径向载荷；图a和图b可承受双
13、向轴向载荷；图c则只能承受单向载荷，但承载能力较大，轴向刚度较高。这种轴承还可以三联组配、四联组配。,角接触球轴承成对使用时的几种安装方式,a） b） c）,2主轴常见支承方式（1）,前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60角接触双列向心推力球轴承组合(如图a) ，后支承采用成对向心推力球轴承。 此配置可提高主轴的综合刚度，可满足强力切削的要求，普遍用于各类数控机床主轴。,2主轴常见支承方式（2）,前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小。适于高速，轻载，高精密的数控机床主轴。,2主轴常见支承方式（3）,前后支承采
14、用双列和单列圆锥滚子轴承(如图c)。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其是可承受较强的动载荷。安装，调整性能好，但这种支承方式限制了主轴转速和精度，所以用于中等精度，低速，重载的数控机床的主轴。,数控机床主轴常见支承方式图例,3主轴支承的典型结构 （1）,如图所示为数控车床主轴，前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60角接触双列向心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，能承受较大的切削负载，主轴刚性高。,数控车床主轴支承图例,3主轴支承的典型结构 （2）,图示为卧式铣床主轴支承，轴的径向刚度好，并有较高的转速。,卧式铣床主轴支承图例,3主轴支承的典
15、型结构 （3）,图示为卧式镗铣床主轴部件的支承，这种支承方式可以承受双向轴向载荷和径向载荷，承载能力大，刚性好，结构简单。,卧式镗铣床主轴支承图例,4滚动轴承的间隙与预紧,滚动轴承存在较大间隙时，载荷将集中作用于受力方向上的少数滚动体上，使得轴承刚度下降，承载能力下降，旋转精度变差。将滚动轴承进行适当预紧，使滚动体与内外圈滚道在接触处产生一定量预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高轴承承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。 过盈量不宜太大，否则轴承的摩擦磨损加剧，承载能力将显著下降。公差等级、轴承类型和工作条件不同的主轴组件，其轴承所需的预紧量各有所
16、不同。主轴组件必须具备轴承间隙的调整机构。,五、数控机床主轴的密封与润滑,1主轴的密封（1）,在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式，越界泄漏到密封连接处的彼侧。造成泄漏的基本原因是流体从密封面上的间隙中溢出，或是由于密封部件内外两侧密封介质的压力差或浓度差，致使流体向压力低或浓度低的一侧流动。,1主轴的密封（2）,图示为卧式加工中心主轴前支承的密封结构，采用的是双层小间隙密封装置。主轴前端加工有两组锯齿形护油槽，在法兰盘和上开有沟槽及泄油孔，当喷入轴承内的油液流出后被法兰盘内壁挡住，并经其下部的泄油孔和套筒上的回油斜孔流回油箱，少量油液沿主轴流出时，在离心力的作用下被主轴护油
17、槽甩至法兰盘的沟槽内，经回油斜孔重新流回油箱，达到了防止润滑介质泄漏的目的。,卧式加工中心主轴前支承的密封结构图例,1-套筒 2-轴承 3-套筒 4、5-法兰盘 6-主轴 7-泄漏孔 8-回油斜孔 9-泻油孔,2.主轴的润滑（1）,为了保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用循环式润滑系统，用液压泵强力供油润滑，使用油温控制器控制油箱油液温度。 高档数控机床主轴轴承采用了高级油脂封存方式润滑，每加一次油脂可以使用710年。 须防止润滑油和油脂混合。 新型的润滑冷却方式不单要减少轴承温升，还要减少轴承内外圈的温差，以保证主轴热变形小。,2.主轴的润滑（2）,常见
18、主轴润滑方式 油气润滑方式 这种润滑方式近似于油雾润滑方式，但油雾润滑方式是连续供给油雾，而油气润滑则是定时定量地把油雾送进轴承空隙中，这样既实现了油雾润滑，又避免了油雾太多而污染周围空气。 喷注润滑方式 喷注润滑方式是用较大流量的恒温油(每个轴承34L/min)喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。这里较大流量喷注的油必须靠排油泵强制排油，而不是自然回流。同时，还要采用专用的大容量高精度恒温油箱，油温变动控制在0.5。,六、数控机床典型主轴部件,1高速主轴与电主轴（1）,随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化
19、，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。 称为“主轴单元”或“电主轴”。 电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。,电主轴的结构和系统基本配置,1高速主轴与电主轴（2）,国内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm至320mm、转速从10000r/min到150000r/min、功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1Nm到300Nm。 除可满足各类高速切削的要求外，还可供应各种规格带锥柄用于现有
20、普通加工中心、铣床、钻床作增速用的电主轴。,用于普通加工中心作增速用的电主轴图例,1高速主轴与电主轴（3）,国际上著名的电主轴生产厂家 瑞士FISCHER公司、IBAG公司和STEPUP公司，德国的GMN公司和FAG公司； 美国的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高速主轴与电主轴（4）,电主轴的基本参数和主要规格 套筒直径、最高转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。,1高速主轴与电主轴（5）,高速电主轴的典型结构（1） 主轴由前后两套滚珠轴承来支承。 电动机的转子用压配合的方
21、法安装在机床主轴上，处于前后轴承之间，由压配合产生的摩擦力来实现大转矩的传递。,1高速主轴与电主轴（5）,高速电主轴的典型结构（2） 电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就是电动机座，成为机电一体化的一种新型主轴系统。 主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。在主轴的后部安装有齿盘和测速、测角传感器。 主轴前端外伸部分的内锥孔和端面，用于安装和固定加工中心可换的刀柄。,电主轴典型结构图例,2JCS-018A加工中心主轴部件（1）,如图所示为主轴箱结构简图，主要由四个功能部件构成，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、切屑清除装置和
22、主轴准停装置。,JCS-018A加工中心主轴部件图例,2JCS-018A加工中心主轴部件（2）,主轴基本构成（1） 主轴的前支承4配置了三个高精度的角接触球轴承，用以承受径向载荷和轴向载荷，前两个轴承大口朝下，后面一个轴承大口朝上。前支承按预加载荷计算的预紧量由螺母5来调整。后支承6为一对小口相对配置的角接触球轴承，它们只承受径向载荷，因此轴承外圈不需要定位。该主轴选择的轴承类型和配置形式，满足主轴高转速和承受较大轴向载荷的要求。主轴受热变形向后伸长，不影响加工精度。,2JCS-018A加工中心主轴部件（3）,主轴基本构成（2） 主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部
23、的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。,2JCS-018A加工中心主轴部件（4）,主轴工作原理（1） 取用过刀具过程 CNC发出换刀指令液压缸（7）右腔进油活塞（6）左移推动拉杆（4）克服弹簧（5）的作用左移带动钢球（12）移至大空间钢球失去对拉钉（2）的作用取刀,2JCS-018A加工中心主轴部件（5）,主轴工作原理（2） 吹扫过程 旧刀取走后CNC发出指令空压机启动压缩空气经压缩空气管接头（9）吹扫装刀部位并用定时器计时,2JCS-018A加工中心主轴部件（6）,主轴工作原理（3） 装刀过程 时间到CNC发出装刀指令机械手装新刀液压缸右腔回油拉杆（4）在碟形弹簧的作用下复位
24、拉杆带动拉钉右移至小直径部位通过钢球将拉钉卡死,2JCS-018A加工中心主轴部件（7）,主轴转矩的传递 机床的切削转矩是由主轴上的端面键来传递的。 主轴的准停功能 每次机械手自动装取刀具时，必须保证刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。为满足主轴这一功能而设计的装置称为主轴准停装置或称为主轴定向装置。,2JCS-018A加工中心主轴部件（8）,电气式主轴准停装置 即用电磁传感器检测定向。如图所示，主轴8的尾部安装有发磁体9，它随主轴转动，在距发磁体外缘14mn处，固定了一个磁传感器10,它经过放大器11与主轴伺服单元3联接。主轴定向指令l发出后，主轴处于定向状态，当发
25、磁体上的判别孔转到对准磁传感器上的基准槽时，主轴立即停止。图中5为电动机与主轴之间的同步齿形带，4为主轴电动机，2为强电时序电路，7为主轴端面键，6是位置控制回路，12是定向电路。,主轴准停装置原理图,思考与练习(1)：,数控机床对主轴驱动的要求是什么？ 画出典型主轴电动机的工作特性曲线，什么叫恒功率调速和恒转矩调速？为什么在基速上下会形成恒功率调速和恒转矩调速？ 试述三位液压拨叉的工作原理。 什么叫主轴分段无级变速，为什么要采用主轴分段无级变速？,思考与练习：,数控机床如何实现主轴的定向准停控制？试述磁传感器准停的结构与工作原理。 加工中心主轴轴承的配置形式主要有几种？各适用于什么场合？ 数控机床的主轴有哪几种润滑形式？各有何特点？ 数控机床主传动系统有哪几种传动方式？各有何特点？,
