数控机床主轴部件学习教案

1、数控机床主轴数控机床主轴(zhzhu)部件部件第一页，共67页。一、对主运动部件(bjin)要求第1页/共67页第二页，共67页。1转速(zhun s)高、功率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(ji gng)精度、加工(ji gng)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(ji gng)中心，为适应各种刀具、各种材料的加工(ji gng)，对主轴的调速范围要求更高。第2页/共67页第三页，共67页。2调速范围宽并实现(shxin)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

2、行无级连续调速，减少中间(zhngjin)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1 10的恒功率调速范围。第3页/共67页第四页，共67页。3具有恒线速度切削(qixio)控制功能利用车床和磨床进行工件(gngjin)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n D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。第4页/共67页第五页，共67页

3、。4.能够(nnggu)实现刀具自动更换第5页/共67页第六页，共67页。5传动链尽可能短第6页/共67页第七页，共67页。二、主轴驱动(q dn)装置和主轴部件功率特性(txng)的匹配第7页/共67页第八页，共67页。1主轴驱动电机的机械特性主轴驱动电机的机械特性(txng)分析分析低速时恒转矩特性高速(o s)时恒功率特性第8页/共67页第九页，共67页。三、数控机床主运动(yndng)实现方式第9页/共67页第十页，共67页。分段(fn dun)无级变速（1）数控机床在实际生产中，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

4、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(dngj)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。第10页/共67页第十一页，共67页。分段无级变速(bin s)图例第11页/共67页第十二页，共67页。分段(fn dun)无级变速（2）分段(fn dun)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(shxin)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(shxin)。 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

5、求。第12页/共67页第十三页，共67页。分段(fn dun)无级变速（3）在带有齿轮变速的主传动系统中，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(hu y)齿轮移动实现变速。当通油、卸荷，滑移齿轮(chln)在最左侧。当通油，卸荷，滑移齿轮(chln)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(chln)在中间位置。第13页/共67页第十四页，共67页。三位液压拨叉工作(gngzu)原理图第14页/共67页第十五页，共67页。2数控机床主轴带传动数控机床主轴带传动(chundng)变速变速主轴带传动变速主要(zhyo)是将电机的旋转运

6、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。第15页/共67页第十六页，共67页。带传动(chundng)变速图例第16页/共67页第十七页，共67页。2数控机床主轴数控机床主轴(zhzhu)带传动变速带传动变速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(ji gng)中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。第17页/共67页第十八页，共67页。同步(tngb)齿形带纵向断面图梯形(txng)

7、齿圆弧齿第18页/共67页第十九页，共67页。2数控机床主轴数控机床主轴(zhzhu)带传动变速带传动变速同步带特点同步带特点无滑动，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(qinw)。维修保养方便，不需要润滑。第19页/共67页第二十页，共67页。3调速电机直接驱动主轴调速电机直接驱动主轴(zhzhu)传动传动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(yuy)没有电刷不产生

8、火花，所以使用寿命长，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。第20页/共67页第二十一页，共67页。电机直接(zhji)驱动原理图第21页/共67页第二十二页，共67页。3调速电机直接驱动主轴传动调速电机直接驱动主轴传动主轴传递主轴传递(chund)的功率或转矩与转速之间关系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

9、，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(zh ge)区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。第22页/共67页第二十三页，共67页。主轴(zhzhu)功率转矩特性曲线第23页/共67页第二十四页，共67页。四、主轴的支承(zh chn)方式第24页/共67页第二十五页，共67页。1数控机床主轴部件常用轴承类型数控机床主轴部件常用轴承类型(lixng)锥孔双列圆柱滚子轴承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(tiozhng)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(n xn)好，允许转速高

10、。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主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。第25页/共67页第二十六页，共67页。锥孔双列圆柱(yunzh)滚子轴承图例第26页/共67页第二十七页，共67页。1数控机床主轴部件常用轴承类型数控机床主轴部件常用轴承类型(lixng)双列推力向心球轴承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(zhun s)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，保证只承受轴向载第27

11、页/共67页第二十八页，共67页。双列推力向心(xin xn)球轴承图例第28页/共67页第二十九页，共67页。1数控机床数控机床(sh kn j chun)主轴部件常用轴承类型主轴部件常用轴承类型双列圆锥滚子轴承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(n z)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。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。第29页/共67页第三十页，共67页。双列圆锥滚子(n z)轴承图例第30页/共67页第三十一页，共67页。1数控机床主轴部件

12、常用轴承类型数控机床主轴部件常用轴承类型(lixng)角接触球轴承（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(tiozhng)间隙，实现预紧。它们多用于高速主轴。第31页/共67页第三十二页，共67页。角接触(jich)球轴承图例第32页/共67页第三十三页，共67页。1数控机床主轴部件常用轴承数控机床主轴部件常用轴承(zhuchng)类型类型角接触球轴承角接触球轴承(zhuchng)（2）角接触球轴承有三

13、种基本组合(zh)方式图a为背靠背组合(zh)，图b为面对面组合(zh)，图c为同向组合(zh)。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。第33页/共67页第三十四页，共67页。角接触球轴承成对使用时的几种(j zhn)安装方式a）b）c）第34页/共67页第三十五页，共67页。2主轴常见(chn jin)支承方式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(mnz)强力切削的要求，

14、普遍用于各类数控机床主轴。第35页/共67页第三十六页，共67页。2主轴常见(chn jin)支承方式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(zhzhu)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(zhzhu)。第36页/共67页第三十七页，共67页。2主轴(zhzhu)常见支承方式前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承(zhuchng)(如图c)。这种轴承(zhuchng)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

15、数控机床的主轴。第37页/共67页第三十八页，共67页。数控机床主轴(zhzhu)常见支承方式图例第38页/共67页第三十九页，共67页。3主轴支承主轴支承(zh chn)的典型结构的典型结构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(jich)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。第39页/共67页第四十页，共67页。数控车床主轴(zhzhu)支承图例第40页/共67页第四十一页，共67页。3主轴支承的典型主轴支承的典型(dinxng)结构结构 （2）图示为卧式铣床(xchung)主轴

16、支承，轴的径向刚度好，并有较高的转速。第41页/共67页第四十二页，共67页。卧式铣床(xchung)主轴支承图例第42页/共67页第四十三页，共67页。3主轴主轴(zhzhu)支承的典型结构支承的典型结构 （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(jn xin)载荷，承载能力大，刚性好，结构简单。第43页/共67页第四十四页，共67页。卧式镗铣床(xchung)主轴支承图例第44页/共67页第四十五页，共67页。五、数控机床典型(dinxng)主轴部件第45页/共67页第四十六页，共67页。1高速高速(o s)主轴与电主轴（主轴与电主轴（1）随着电气传动技

17、术(变频(bin pn)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，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。第46页/共67页第四十七页，共67页。电主轴的结构(jigu)和系统基本配置第47页/共67页第四十八页，共67页。1高速高速(o s)主轴与电主轴（主轴与电主轴（2）国内外专业的电主轴制造厂

18、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(qixio)的要求外，还可供应各种规格带锥柄用于现有普通加工中心、铣床、钻床作增速用的电主轴。第48页/共67页第四十九页，共67页。用于普通(ptng)加工中心作增速用的电主轴图例第49页/共67页第五十页，共67页。1高速高速(o s)主轴与电主轴（主轴与电主轴（3）国际(guj)上著名的电主轴生产厂家 瑞士(ru sh)FISCHER公司、IBAG公司和STEPUP公司，德国的GMN公司和FAG公

19、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。第50页/共67页第五十一页，共67页。1高速高速(o s)主轴与电主轴（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(doj)接口等，其中套筒直径为电主轴的主要参数。第51页/共67页第五十二页，共67页。1高速主轴高速主轴(zhzhu)与电主轴与电主轴(zhzhu)（5）高速电主轴高速电主轴(zhzhu)的典型结构（的典型结构（1） 主轴主轴(zhzhu)由前后两套滚珠轴承来支承。由前后两套滚珠轴承来支承。 电动机的

20、转子用压配合的方法安装(nzhung)在机床主轴上，处于(chy)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。第52页/共67页第五十三页，共67页。1高速高速(o s)主轴与电主轴（主轴与电主轴（5）高速高速(o s)电主轴的典型结构（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(shling)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。第53页/共6

21、7页第五十四页，共67页。电主轴典型(dinxng)结构图例第54页/共67页第五十五页，共67页。2JCS-018A加工加工(ji gng)中心主轴部件（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(guchng)，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、切屑清除装置和主轴准停装置。第55页/共67页第五十六页，共67页。1-主轴(zhzhu)2-拉钉3-钢球4-前支承(zh chn)5-锁紧螺母6-后支承(zh chn)7-拉杆8-蝶形弹簧9-圆柱弹簧10-活塞11-液压缸第56页/共67页第五十七页，共67页。2JCS-018A加工中心主轴部件加工中心主轴部件(bjin)

22、（2）主轴基本构成（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(tiozhng)。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。第57页/共67页第五十八页，共67页。2JCS-018A加工中心加工中心(zhngxn)主轴部件（主轴部件（3）主轴(zhzhu)基本构成（2） 主轴内部和后端安装的是刀具自动(zdng

23、)夹紧机构。它主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧8、活塞10、液压缸11等组成。第58页/共67页第五十九页，共67页。2JCS-018A加工中心加工中心(zhngxn)主轴部件（主轴部件（4）主轴工作原理（主轴工作原理（1） 取用过刀具(doj)过程CNC发出(fch)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）的作用取刀第59页/共67页第六十页，共67页。2JCS-018A加工中心加工中心(zhngxn)主轴部件（主轴部件（5）主轴工作原理（主轴工作原理（2） 吹扫过程(guchng)旧刀取走后CNC发出(fch)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第60页/共67页第六十一页，共67页。2JCS-018A加工中心加工中心(zhngxn)主轴部件（主轴部件（6）主轴工作原理（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(zuyng)下复位拉杆带动拉钉右移至小直径部位通过钢球将拉钉卡死第61页/共67页第六十二页，共67页。2JCS