数控机床(第二单元)(第3-4章)

目录第三章数控机床主传动系统第四章数控机床的进给运动系统第五章数控机床导轨与工作台第六章数控机床的自动换刀装置第七章刀具交换装置第八章典型数控机床的结构与控制第九章数控机床的液压与气压系统

第三章数控机床主传动系统第一节机械基础知识第二节数控机床主传动系统的特点第三节数控机床主轴传动类型第四节主轴部件第五节主轴组件的润滑与密封第一节机械基础知识

一、齿轮传动和带传动齿轮传动是机械传动中最主要的一类传动，形式很多，应用广泛，最常用的是渐开线齿轮传动。与其它传动相比，齿轮传动有下列特点：1．两轮瞬时传动比(角速度之比)恒定。2．适用的圆周速度和传动功率范围较大。3．传动效率较高、寿命较长。4．能实现平行、相交、交错轴间传动。与其他传动相比，有下列缺点：1．制造和安装精度要求较高，成本较高。2．不适用于距离较远的传动。3．为了保证润滑良好，齿轮的啮合齿之间在设计上要保证有一定的侧隙，这对传动精度有一定的影响，尤其是应用于类似数控机床等高精度设备上，要采取必要的消除侧隙的手段。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退JX3A齿轮传动的类型平面齿轮机构

（圆柱齿轮）

两齿轮的轴线互相平行两齿轮之间的相对运动为平面运动由螺旋角相反、大小相等的两个斜齿圆柱齿轮拼接而成。空间齿轮机构两齿轮的轴线不平行相对运动为空间运动JX3A带传动的组成及带的类型1.平带传动

2.V带传动

3.圆带传动

4.多楔带传动

5.同步带传动1.平带传动

带传动简图

1—主动轮2—从动轮3—封闭环形带1.平带传动带的类型

a)平带b)V带c)圆带d)多楔带e)同步带（啮合型带传动）1.平带传动1）、平带由多层胶帆布构成，其横截面为扁平矩形，与带轮表面相接触的内侧面为其工作面。平带传动结构简单，带长可根据需要剪截后用接头接成封闭环形。平带传动多用于高速和中心距较大的传动。4）、圆带的横截面为圆形，只能用于轻载机械及仪表等装置中。3）、多楔带传动多楔带是在平带基体下做出多根纵向楔体而成，楔的侧面为带的工作面。这种带兼有平带和V带的特点，适用于传递动力大且要求结构紧凑的场合。2）、V带传动V带传动的横截面为等腰梯形，两侧为工作面。JX3A3.圆带传动5）.同步带传动

同步带为内侧有齿的无接头环形带，又称同步齿形带，与之相配合的带轮上也有相应的齿。工作时靠带齿与轮齿的相互啮合传递运动和动力，从而保证主动轮和从动轮的圆周速度始终同步，因而具有准确的传动比；但对制造与安装的精度要求较高，成本较高。第一节机械基础知识图3-2啮合型带传动带传动的特点及应用带传动的主要优点是：①适应于两轴中心距较大的传动；②带具有良好的弹性，可以缓冲、吸振，尤其是V带没有接头，传动平稳，噪声小；③当过载时，带与带轮之间会自动打滑，可以防止其他零件因过载而损坏；④结构简单，制造与维护方便，成本低。其主要缺点是：①外廓尺寸较大，不紧凑；②工作时带与带轮接触面间存在滑动，不能保证准确的传动比；③传动效率较低，带的寿命较短；④常需要张紧装置。第一节机械基础知识二、轴的类型、材料及应用轴是组成机器的重要零件之一。根据轴在工作时所受载荷的不同，轴可分为：1．心轴只承受弯矩作用而不承受转矩作用的轴。按其是否与轴上零件一起转动可分为转动心轴(图3-3a)和固定心轴(图3-3b)两种。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退图3-3心轴a)转动心轴b)固定心轴a)b)第一节机械基础知识2．转轴既承受弯矩作用又承受转矩作用的轴，如齿轮减速器中的轴(图3-4)。转轴是机械中最常见的轴。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退图3-4转轴第一节机械基础知识3．传动轴主要承受转矩作用而不受弯矩作用或只承受很小弯矩的轴（图3-5）。轴按其轴线形状的不同又可分为直轴(图3-6)、曲轴(图3-7)和挠性钢丝轴(图3-8)。直轴应用较广，按其外形不同又可分为光轴(图3-6a)和阶梯轴(图3-6b)。为了提高轴的刚度或减轻重量，有时将轴制成空心轴(图3-6c)。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识图3-5传动轴图3-6直轴图3-7曲轴图3-8挠性钢丝轴第一节机械基础知识三、联轴器、离合器及制动器的主要类型、特点及应用联轴器和离合器是机械传动中常用的部件。它们主要用来联接轴与轴(有时也联接轴与其它回转零件)，以传递运动与扭矩；有时也可用作安全装置。联轴器和离合器的区别是：联轴器的拆卸要在机器停止运转后进行；离合器则可以在机器的运转过程中进行分离或结合。制动器是用来迫使机器迅速停止运转或降低机器运转速度的机械装置。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识联轴器的类型很多，根据内部是否含有弹性元件，可以划分为刚性联轴器和弹性联轴器两大类。弹性联轴器含有弹性元件，可以缓冲减振，也可以在不同程度上补偿两轴间的偏移；刚性联轴器根据其结构特点可分为固定式和可移动式两类。可移动式刚性联轴器对两轴间的偏移量具有一定的补偿能力。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识如图3-9所示为凸缘联轴器，属于固定式刚性联轴器；如图3-10所示为滑块联轴器，属于可移式刚性联轴器；如图3-11所示为弹性柱销联轴器，属于弹性联轴器。图3-9凸缘联轴器图3-10滑块联轴器图3-11弹性柱销联轴器１刚性凸缘联轴器（凸缘联轴器）特点：

构造简单，成本低廉，但不能补偿轴的偏移，没有吸振、缓冲的作用，安装精度要求较高，应用较广。

应用：

适用于低速，扭矩大，刚性好的轴。

用凸肩和凹槽对中用铰制孔以螺栓对中扭矩直接通过螺栓来传递扭矩靠接合面间的摩擦力来传递２套筒联轴器特点：结构简单，径向尺寸小，但装拆不便，多用于机床、仪器中应用：多用于机床、仪器中。若按过载时销钉被剪断的条件设计可用作安全联轴器１牙嵌联轴器

刚性可移式联轴器特点：结构简单,类似牙嵌离合器,但没有操纵环,中间有便于联接时轴伸入其中的定中环。

应用：两轴需要补偿轴向位移的刚性连接。

2十字滑块联轴器特点：联轴器工作时，中间滑块会产生很大的离心力，增加了工作表面间的压力，使磨损加快，因此工作转速一般不宜超过300r/min。需定期施加润滑剂齿轮联轴器特点：传递扭矩的能力比同尺寸的其他联轴器要大得多，但因结构较复杂，制造成本较高。4万向联轴器弹性联轴器1弹性套柱销联轴器特点：结构与凸缘联轴器相似，只是用套有弹性套的柱销代替了联接螺栓，在非金属弹性元件的弹性联轴器中，它是最有代表性的一种。弹性联轴器2弹性柱销联轴器特点：材料为尼龙的柱销有一定弹性，可用以代替弹性套柱销联轴器，其特点是允许较大的轴向位移

应用：因此适于轴向窜动较大，起动频繁，经常正反转的高、低速传动。第一节机械基础知识离合器根据其工作原理的不同可分为牙嵌式和摩擦式两类；按控制离合的方法不同又可分为操纵式和自动式两类。牙嵌离合器结构简单，尺寸小，工作时无滑动，并能传递较大的转矩，故应用较多；其缺点是运转中接合时有冲击和噪声，必须在两轴转速差很小或停车时进行接合或分离，如图3-12所示。摩擦离合器可分为单盘式、多盘式和圆锥式三类。单盘式离合器结构简单，但传递的转矩较小。多盘式离合器的优点是径向尺寸小而承载能力大，联接平稳，因此适用的载荷范围大，应用较广。其缺点是盘数多，结构复杂，离合动作缓慢，发热、磨损较严重，如图3-13。第一节机械基础知识图3-13多盘式摩擦离合器1－主动轴2－主动轴套筒3－从动轴4－从动轴套筒5－外摩擦片6－内摩擦片7－操纵环8－杠杆9－弹簧篇10－调节螺母图3－12牙嵌离合器1、2－半离合器3－操纵环1、嵌入式离合器牙嵌式、齿嵌式、销嵌式、键嵌式，下面都是牙嵌离合器。离合器的接合应在两轴不回转或两轴转速差很小时进行，以免凸牙因受冲击载荷面断裂。操作要求：类型:

牙嵌离合器单盘式摩擦离合器多圆盘式摩擦离合器特点:多圆盘式可传递更大的扭矩，径向尺寸较小，宜用于高速传动

第一节机械基础知识四、平键、花键、新型联接结构的特点和应用平键联接对中性好、结构简单、拆装方便，应用最广。按用途可分为普通平键、导向平键和滑键。花键联接是由周向均布多个键齿的花键轴和多个键槽的花键毂构成的联接。工作时靠键齿的侧面互相挤压传递转矩。花键联接的优点是：键齿多，承载能力强；轴上零件和轴的对中性好；导向性好；键槽较浅，齿根应力集中小，对轴和毂的强度削弱也小。缺点是成本高、加工精度要求高。故适用于定心精度要求较高和载荷较大的场合。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退JX1A(1)平键普通平键联接JX1A(1)平键导向平键联接JX1A(1)平键

滑键联接JX1A(2)半圆键

半圆键联接JX1A(3)楔键楔键联接JX1A花键联接

花键联接花键联接的齿形

a)矩形花键b)渐开线花键c)三角形花键第二节数控机床主传动系统的特点数控机床与普通机床比较，其主传动系统具有如下特点：1．主轴转速高，变速范围广，并可无级变速为了获得高的生产率和好的表面质量，数控机床必须具有更高的转速和更宽的变速范围，使加工时能合理选用切削用量。由于数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此主轴要求无级变速，并能迅速可靠地自动实现，使切削过程始终处于最佳状态。2．主轴传动平稳，噪声低，精度高数控机床的加工精度与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的制造精度与刚度，齿轮齿面应进行高频淬火增加耐磨性；最后一级采用斜齿轮传动，使传动平稳；采用高精度轴承及合理的支承跨距等，以提高主轴组件的刚度。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第二节数控机床主传动系统的特点3．具有良好的抗振性和热稳定性数控机床一般要同时承担粗加工和精加工任务，加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自激振动等原因，造成主轴振动，影响加工精度和表面质量。因此在主传动系统中的主要零部件不但要具有一定的静刚度，而且要求具有良好的抗振性。此外，在切削加工过程中，主传动系统的发热往往使零部件产生热变形，破坏零部件之间的相对位置精度和运动精度，造成加工误差。为此，要求主轴部件具有较高的热稳定性，通常要求保持合适的配合间隙，并采用循环润滑等措施来实现。4．能实现刀具的快速和自动装卸在自动换刀的数控机床中，主轴应能准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴实现定向控制。此外，为实现主轴快速自动换刀功能，必须设计有刀具的自动夹紧机构。第三节数控机床主轴传动类型1．带有变速齿轮的主传动这种类型如图3-14a所示，主要适用于大、中型数控机床。它是通过二级以上齿轮副实现分段无级变速，其优点是能够确保低速时的转矩，满足主轴输出转矩特性的要求，而且变速范围广。但结构复杂，需增加润滑和温度冷却系统，成本较高。齿轮变速方式有：电—液控制拨叉方式和电磁离合器方式，在一些简易或教学型数控机床中采用手动换挡方式。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退三位液压拨叉工作原理图１通油、５卸荷，滑移齿轮在最左侧5通油、1卸荷，滑移齿轮在最右侧1、5同时通油，滑移齿轮在中间1，5缸体2活塞杆3拨叉4套筒b：电磁离合器变速装置是利用电磁效应，通过接通或断开电磁离合器的运动部件实现变速。电磁离合器用于数控机床的主传动时，能简化变速机构，实现主轴变速。啮合式电磁离合器能够传递更大的扭矩。第三节数控机床主轴传动类型2．通过带传动的主传动这种类型如图3-14b所示，主要应用在小型数控机床上。它通过一级带传动实现变速，其优点是结构简单，安装调试方便。但变速范围受电动机调速范围的限制，只能适用于低转矩特性要求的主轴。带传动变速中，常用的带类型有V带、平带、多楔带和齿形带。同步齿形带传动是一种综合了带传动和链传动优点的新型传动，可使主、从动带轮作无相对滑动的同步传动。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第三节数控机床主轴传动类型3．由调速电动机直接驱动的主传动这种主传动系统如图3-14c所示，采用无级调速的电动机直接驱动主轴旋转，因而大大简化了主轴箱体和主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度。但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。近年来出现的一种新式内装电动机主轴，将主轴与电动机转子合为一体。电主轴的电机转子和主轴一体，无需任何传动件，可以使主轴达到数万转、甚至十几万转的高速。其优点是主轴组件结构紧凑、质量轻、惯性小，可提高起动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声。但电动机发热易使主轴产生热变形，因此控制温升是使用内装电动机主轴要解决的关键问题。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退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。

变速齿轮传动

同步齿形带传动

主轴电机直接驱动电主轴第三节数控机床主轴传动类型图3-14主传动系统的类型a）齿轮传动b)带传动c）直接驱动1、熟悉数控车床的机械结构

2、熟悉加工中心的机械结构

第四节主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。机床的主轴部件应在主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性、部件的耐磨性和精度保持能力等方面均达到规定要求。对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有主轴准停装置、刀具自动夹紧装置、主轴孔的清洁装置等。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第四节主轴部件一、主轴端部结构形状主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具。在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，图3-15所示为车、铣、磨三种主要数控机床的主轴端部结构形式。图3-15车、铣、磨三种主要数控机床主轴端部的结构形式a)车床的主轴端部b)铣、镗类机床的主轴端部c)磨床砂轮主轴的端部b)a)c)第四节主轴部件3-15a车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拔销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时拴住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部，主轴为空心，前端有莫氏锥孔，用以安装顶尖或心轴。图3-15车、铣、磨三种主要数控机床主轴端部的结构形式a)车床的主轴端部第四节主轴部件3-15b为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。图3-15车、铣、磨三种主要数控机床主轴端部的结构形式b)铣、镗类机床的主轴端部第四节主轴部件3-15c为磨床砂轮主轴的端部。图3-15车、铣、磨三种主要数控机床主轴端部的结构形式a)车床的主轴端部b)铣、镗类机床的主轴端部c)磨床砂轮主轴的端部b)a)c)第四节主轴部件二、主轴部件的支撑主轴轴承是主轴部件的重要组成部分。它的的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响主轴的工作性能。在数控机床上常用的主轴轴承有滚动轴承和静压滑动轴承。主轴支撑轴承大多采用滚动轴承，包括向心球轴承、角接触球轴承、圆锥滚子轴承、推力轴承和圆柱滚子轴承等。选用时主要考虑：轴承的极限转速、刚度、阻尼特性和轴承温升等因素。一般都采用2～3个角接触球轴承组合或用角接触球轴承与圆柱滚子轴承组合构成支承系统，这些轴承经过预紧后，可以得到很好的刚度。图3-16所示为某卧式加工中心机床的主轴支撑结构；图3-17所示为某立式加工中心机床主轴支撑结构。在轴承间增加隔套是为了增加主轴的刚度和精度。主轴轴承滚动轴承主要有角接触球轴承（承受径向、轴向载荷），双列短圆柱滚子轴承（只承受径向载荷）、60°角接触双向推力球轴承（只承受轴向载荷，常与双列圆柱滚子轴承配套使用）、双列圆柱滚子轴承（能同时承受较大的径向、轴向载荷，常作为主轴的前支承）。24主轴轴承

数控机床的主轴一般都采用滚动轴承作为支承，如图所示为主轴常用的几种滚动轴承。图a为锥孔双列圆柱滚子轴承图b为双列推力向心球轴承图c为双列圆锥滚子轴承图d为带凸肩的双列圆锥滚子轴承25⒈主轴轴承图a为锥孔双列圆柱滚子轴承图b为双列推力向心球轴承图c为双列圆锥滚子轴承图d为带凸肩的双列圆锥滚子轴承

滚动轴承性能比较表轴承种类允许转速刚度阻尼温升圆柱滚子轴承向心球轴承圆锥滚子轴承较高 高 中

高 较高中、高

中 低较大中、高 低中、高主轴轴承常见的支撑形式(a)形式一；(b)形式二；(c)形式三

1、主轴轴承的支撑形式

1）前支撑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，后支撑采用成对向心推力球轴承。可提高主轴的综合刚度，满足强力切削的要求。普遍用于各类数控机床主轴。

2）前支撑采用高精度双列向心推力球轴承。向心推力轴承有良好的高速性，主轴最高转速可达4000r／min，但承载能力小，适于高速、轻载、高精密的数控机床主轴。

3）前后支撑分别采用双列和单列圆锥滚子轴承。径向和轴向刚度高，能承受重载荷，其安装、调整性能好，但限制了主轴转速和精度，因此可用于中等精度、低速、重载的数控机床的主轴。

第四节主轴部件图3-16卧式加工中心机床的主轴支撑结构图3-17立式加工中心机床主轴支撑结构第四节主轴部件三、主轴准停装置主轴准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，能够准确地停于某一固定的位置。在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀具时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准停功能。此外，在通过前壁小孔镗同轴大孔时，要求主轴实现准停，使刀尖停在一个固定的方位上(X轴或Y轴方向)，以便主轴沿该方向偏移一定尺寸后，刀尖才能通过前壁小孔进入箱体对大孔进行镗削。第四节主轴部件三、主轴准停装置主轴准停装置分机械控制和电气控制两种形式。传统方法是依靠机械档块来定向，而目前现代数控机床则采用电气控制方式来定向。当数控系统发出指令后，主轴就能准确定向。电气控制是利用主轴上装有位置编码器或磁性传感器作为位置反馈元部件，它可输出信号，使主轴准确停在预先设定的位置上。图3-18主轴准停示意图执行准停指令时，首先发出降速信号，主轴箱自动改变传动路线，使主轴以设定的低速运转，延时数秒后接通无触点开关，定位盘上的感应片对准无触点开关，发出准停信号，使主轴电动机停转并断开主轴传动链，主轴电动机与主传动部件因原来惯性继续空转，短暂延时后，接通液压油，定位液压缸动作，活塞带动定子滚子压紧定位盘外表面，主轴带动定位盘旋转到V形槽，对准定位滚子，主轴准确停止。1、机械准停装置装置定向可靠、精确。但结构复杂。图3-18为V形槽轮定位盘准停机构。

在早期数控机床上使用较多。图3-19磁性传感器主轴准停原理示意图2、电气准停装置在主轴或与主轴有联系的传动轴上安装位置编码器或磁性传感器，配合电动机实现纯电气定向准停。结构简单，准停可靠，动作迅速平稳。图3-19为磁性传感器准停系统。当主轴转动或停止时，接收到数控系统发出的准停开关量信号，主轴立即减速或加速到某一准停速度，当主轴到达准停速度且准停位置到达时，主轴即减速至某一爬行速度，在磁性传感器发出信号后，主轴驱动立即进入以磁性传感器为反抗元件的位置闭环控制，目标位置即为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成信号给数控系统，之和才能进行自动换刀等其他动作。第四节主轴部件电气方式主轴定向控制特点是：1．高精确性和刚性，完全可以满足加工中心上要求的换刀动作。2．主轴定向的可靠性很高。3．无需机械零、部件。没有磨损等情况，只需简单地连接位置编码器或磁性传感器。4．减少停机定向时间，只需简单的强电程序顺序控制即可(定向信号、定向完成信号和高／低速信号)。5．工件定位方便而准确(车床上可按主轴正、反转向两个方向定位)。第四节主轴部件6．镗孔结束时。可按主轴旋转方向进行主轴定向，因此工件不会被刀具打坏。同时可按相对工件某一固定方向装卸刀具，因此易于编程。主轴准停控制实质上是在主轴速度控制基础上增加一个位置控制环。因此，必须增加主轴位置检测装置才能取得反馈信号。通常由位置编码器或磁性传感器等完成。应注意的是若采用磁性传感器时。则磁性元件可直接装在主轴上，而传感头装在固定的箱体上，并且它与放大器之间连线越短越好，还要做好屏蔽，以减少干扰。采用位置编码器时，可能因安装不方便要通过1：1的齿轮进行联结。总之，应根据机床的具体位置和实际情况确定控制方案和安装方案。第四节主轴部件五、刀具自动夹紧和主轴孔清洁装置（自学）在自动换刀的数控机床中，为了实现刀具的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构，如图3-20所示。刀柄采用7：24的大锥度锥柄与主轴锥孔配合，既有利于定心，也为松夹带来了方便。标准拉钉5用螺纹联接在刀柄上。放松刀具时，液压油进入液压缸活塞1的右端，油压使活塞左移，推动拉杆2左移，同时碟形弹簧3被压缩，钢球4随拉杆一起左移，当钢球移至主轴孔径较大处时，便松开拉钉，机械手即可把刀柄连同拉钉5从主轴锥孔中取出。夹紧刀具时，活塞右端无油压，螺旋弹簧使活塞退到最右端，拉杆2在碟形弹簧3的弹簧力作用下向右移动，钢球4被迫收拢，卡紧在拉杆2的环槽中。这样，拉杆通过钢球把拉钉向右拉紧，使刀柄外锥面与主轴锥孔内锥面相互压紧，刀具随刀柄一起被夹紧在主轴上。第四节主轴部件五、刀具自动夹紧和主轴孔清洁装置（自学）行程开关8和7用于发出夹紧和放松刀柄的信号。刀具夹紧机构使用弹簧夹紧、液压放松，可保证在工作中，如果突然停电，刀柄不会自行脱落。自动清除主轴孔中的切屑和灰尘是换刀操作中不容忽视的问题。为了保持主轴锥孔清洁，常采用压缩空气吹屑。图3-20所示活塞1的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的空气嘴喷出，将锥孔里的杂物清理干净。为了提高清理杂物的效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布。第四节主轴部件图3－20立式加工中心主轴部件1－活塞2－拉杆3－蝶形弹簧4－钢球5－标准拉钉6－主轴7、8－行程开关9－弹力卡爪10－卡套主轴部件是数控机床机械部分中的重要组成部件，主要由主轴、轴承、主轴准停装置、自动夹紧和切屑清除装置组成。数控机床主轴部件的润滑、冷却与密封是机床使用和维护过程中值得重视的几个问题。第五节主轴组件的润滑与密封第五节主轴组件的润滑与密封一、主轴润滑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。用液压泵供油强力润滑，在油箱中使用油温控制器控制油液温度。近年来有些数控机床的主轴轴承采用高级油脂封放方式润滑，每加一次油脂可以使用7～10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单，但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的润滑冷却方式相继开发出来。这些新型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。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第五节主轴组件的润滑与密封1．油气润滑方式这种润滑方式近似于油雾润滑方式，所不同的是，油气润滑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，又不致于油雾太多而污染周围空气；后者则是连续供给油雾。2．喷注润滑方式它用较大流量的恒温油(每个轴承3～4L／rain)喷注到主轴轴承，以达到润滑、冷却的目的。这里要特别指出的是，较大流量喷注的油，不是自然回流，而是用排油泵强制排除，同时，采用专用高精度大容量恒温油箱，油温变动控制在±0．5℃以内。主轴部件的冷却主要是以减少轴承发热，有效控制热源为主。第五节主轴组件的润滑与密封二、主轴密封主轴密封的主要目的是防止润滑油液泄漏和外部的切削液等进入主轴的轴承内。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另一侧。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，致使流体向压力或浓度低的一侧流动。主轴部件的密封则不仅要防止灰尘、屑末和切削液进入主轴部件，还要防止润滑油的泄漏。主轴部件的密封有接触式和非接触式密封。对于采用油毡圈和耐油橡胶密封圈的接触式密封，要注意检查其老化和破损；对于非接触式密封，为了防止泄漏，重要的是保证回油能够尽快排掉，要保证回油孔的通畅。第五节主轴组件的润滑与密封第五节主轴组件的润滑与密封图3－21主轴的密封结构1－进油孔2－轴承3－套筒4－法兰盘5－法兰盘6－主轴7－泄漏孔8－回油孔9－泄油孔主轴密封图3-21是一种卧式加工中心主轴前支承的密封结构。这种加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当喷进轴承2内的油液流出后被法兰盘4内壁挡住，并经其下部的泄油孔9和套筒3上的回油斜孔8流回油箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8重新流回油箱，达到了防止润滑介质泄漏的目的。第四章数控机床的进给运动系统第一节机械基础知识第二节传动机构间隙消除方法第三节滚珠丝杠螺母副数控车床的进给传动系统简图数控机床的进给运动（一）进给传动系统的作用和要求1）作用

接受数控系统发出的进给脉冲，经放大和转换后驱动执行元件实现预期的成形运动。

进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴和回转坐标轴的定位，以及切削进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性，它直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。

2）要求

1.高的精度要求

所谓精度是指伺服系统的输出量跟随输入量的精确程度。。（提高精度措施：脉冲当量越小，机床的精度就越高。消除进给传动链的间隙，一般脉冲当量应在0.01~0.001mm之内。）

数控机床对进给传动系统的要求2.宽的调速范围

由于数控机床加工要适应各种工件材料、尺寸和刀具等变化的需要，伺服进给系统在承担全部工作负载的条件下，应具有很宽的调速范围。3.快的响应速度所谓响应速度是指伺服系统跟随指令信号的响应速度快，使工作台能在规定的速度范围内灵敏而精确地跟踪指令，保证轮廓切削的形状精度和良好的加工表面精度。4.好的稳定性要有较强的抗干扰能力，有较硬的调速机械特性，外加负载变化的适应能力强。5.大的转矩输出要求低速时进给驱动要有大的转矩输出。（措施：需缩短进给驱动传动链，简化机械结构，增强系统刚性，提高传动精度）。数控机床对进给传动系统的要求

6.运动件的摩擦阻力小

进给系统中的摩擦阻力会降低传动效率，并产生摩擦热，特别是会影响系统的快速响应特性。（措施；减弱导轨和丝杠的结构使摩擦阻力）。

8.消除传动系统中的间隙

对于开环伺服系统，传动环节的间隙会产生定位误差；对于闭环伺服系统，包括滚珠丝杠、轴承、齿轮、蜗轮蜗杆，甚至连轴器和键联接都必须采用相应的消除间隙措施。

9.减小运动惯量，具有适当的阻尼

在满足强度和刚度的条件下，应尽可能地合理配置各元件，使它们的惯量尽可能地小。

系统中的阻尼既降低了伺服系统的快速响应特性，又能够提高系统的稳定性。

数控机床对进给传动系统的要求（二）.进给传动系统的基本形式直线和圆周进给运动两类。直线进给运动实现方法：滚珠丝杠螺母副、齿轮齿条副、直线电机；圆周进给运动实现方法：齿轮副、蜗轮蜗杆副；2）根据驱动电机又分为：

(1)步进电机伺服进给系统；

(2)直流电机伺服进给系统；

(3)交流电机伺服进给系统；(4)直线电机伺服进给系统；1）按进给运动分：数控机床对进给传动系统的要求(1)有较高的工作精度；(2)响应速度快；

(3)调速范围宽； (4)稳定性好；

(5)可靠性高；（三）.进给传动的组成部件及其要求(1)运动部件；(如工作台、导轨、横梁、立柱等)(2)伺服电动机； (3)检测元件；(4)联轴节； (5)丝杠轴承；(6)滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)；(7)减速机构(齿轮副和带轮)；1）进给传动系统的主要机电部件有：2）对进给传动部件的要求：数控机床对进给传动系统的要求半闭环进给伺服传动系统组成滚珠丝杠螺母副+滚动导轨副双螺母伺服电机支承轴承丝杠滚珠丝杠螺母半闭环进给伺服传动系统组成伺服电机第一节机械基础知识一、螺纹及螺旋传动1．螺纹如图4-1所示，把底边等于πd2的直角三角形绕在直径为d2的圆柱面上，并使其底边与圆柱体的底边对齐，则其斜边在圆柱表面上便形成一条螺旋线。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退图4-1螺纹的形成与牙型a)b)图4-2螺纹的旋向a）右旋螺纹b）左旋螺纹第一节机械基础知识一、螺纹及螺旋传动2．螺旋传动螺旋传动是利用螺杆和螺母组成的螺旋副来实现传动要求的。它主要用于将回转运动转变为直线运动，同时传递运动和动力。螺旋传动的常用运动形式，主要有以下几种：

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识图4-3a所示为螺杆转动、螺母移动，多用于机床的进给机构中；图4-3b是螺母固定、螺杆转动并移动，多用于螺旋起重器(千斤顶)或螺旋压力机构中；图4-4是螺杆转动并移动，同时螺母也移动的复合螺旋机构，多用于需要快速移动或微调的机构中。图4-3螺旋传动a)b)图4-4复合螺旋传动第一节机械基础知识螺旋传动按其用途不同，可分为以下三种类型：(1)传力螺旋它以传递动力为主，要求以较小的转矩产生较大的轴向推力，用以克服工作阻力。如各种起重或加压装置的螺旋。这种传力螺旋主要是承受很大的轴向力，一般为间歇性工作，每次工作时间较短，工作速度低，通常要求有自锁能力。(2)传导螺旋它以传递运动为主，有时也承受较大的轴向载荷。如机床进给机构的螺旋等。传导螺旋在较长时间内连续工作，工作速度高，要求具有较好的传动精度。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识(3)调整螺旋它用来以调整、固定零件的相对位置。如机床、仪器及监测装置的微调机构的螺旋。调整螺旋不经常转动，一般在空载下调整。螺旋传动按其螺旋副的摩擦性质不同，又可分为滑动螺旋(半干摩擦)、滚动螺旋(滚动摩擦滚珠丝杠)和静压螺旋(液体摩擦)。滑动螺旋结构简单，便于制造，易于自锁，但其主要缺点是摩擦阻力大，传动效率低，磨损快，传动精度低。相反，滚动螺旋和静压螺旋的摩擦阻力小，传动效率高，但结构复杂，特别是静压螺旋还需要供油系统。因此，只有在高精度、高效率的重要传动中才采用。如数控、精密机床，测试装置或自动控制系统的螺旋传动等。第一节机械基础知识二、滚动螺旋机构滑动螺旋机构的螺旋副由于摩擦阻力大、效率低、精度低等，不能满足现代机械的传动要求。因此，许多现代机械中多采用滚动螺旋机构(滚珠丝杠)。滚动螺旋机构是指在具有螺旋槽的螺杆与螺母之间，连续填满滚珠作为中间体的螺旋机构。下面重点介绍滚珠丝杆螺母副。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退工作原理：丝杆（螺母）旋转，滚珠在封闭滚道内沿滚道滚动、迫使螺母（丝杆）轴向移动滚珠丝杠螺母副的结构1-丝杠2-螺母3-滚珠4-回珠管5反向器１．工作原理和特点（1）滚珠丝杆螺母副由于在丝杆和螺母之间放入了滚珠，使丝杆与螺母间变为滚动摩擦，因而大大地减小了摩擦阻力，提高了传动效率。图示为滚珠丝杆副的结构示意图。丝杆１和螺母３上均制有圆弧型面的螺旋槽，将它们装在一起便形成了螺旋滚道，滚珠４在其间既自转又循环滚动。

滚珠丝杠螺母副结构图例1-丝杠2-滚道3-螺母4-滚珠滚珠丝杠螺母副的优点

传动效率高，摩擦损失小滚珠丝杆螺母副的传动效率η＝0.92～0.96，可实现高速运动。运动平稳无爬行由于摩擦阻力小，动、静摩擦系数之差极小，故运动平稳，不易出现爬行现象。传动精度高，反向时无空程滚珠丝杆副经预紧后，可消除轴向间隙。磨损小精度保持性好，使用寿命长。具有运动的可逆性可以将旋转运动转换成直线运动，也可将直线运动转换成旋转运动，即丝杆和螺母均可作主动件或从动件。滚珠丝杠螺母副的缺点由于结构复杂，丝杆和螺母等元件的加工精度和表面质量要求高，故制造成本高。由于不能自锁，特别是垂直安装的滚珠丝杆传动，会因部件的自重而自动下降。当部件向下运动且切断动力源时，由于部件的自重和惯性，不能立即停止运动。因此必须增加制动装置。

结论：由于其优点显著，虽成本较高，仍被广泛应用在数控机床上。2．结构类型（1）外循环

1．外循环滚珠丝杠外循环是指滚珠在回程时脱离螺杆的螺旋槽，而在螺旋槽外进行循环，如图4-5a所示。外循环螺母只需前后各设一个反向器。当滚珠滚入反向器时，就被阻止而转弯，从返回通道回到滚道的另一端去，形成一个循环回路。滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杆螺母间重新进入循环。图示为常见的外循环结构形式。在螺母外圆上装有螺旋形的插管口，其两端插入滚珠螺母工作始末两端孔中，以引导滚珠通过插管，形成滚珠的多圈循环链。

结构简单，工艺性好，承载能力较高，但径向尺寸较大。应用最广，也可用于重载传动系统。外循环式滚珠丝杠结构图例丝杆2．结构类型（2）内循环

靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环，如图所示。反向器２的数目与滚珠圈数相等。

结构紧凑，刚度好，滚珠流通性好，摩擦损失小，但制造较困难。适用于高灵敏、高精度的进给系统，不宜用于重载传动中。内循环式滚珠丝杠结构图例第三节滚珠丝杠螺母副

我们已经介绍了滚动螺旋机构的传动原理和特点，这一节里我们主要介绍滚珠丝杠副轴向间隙的调整和预紧方法。数控机床的进给机械传动采用滚珠丝杠将旋转运动转换为直线运动。滚珠丝杠副的轴向间隙，源于两项因素的总和：第一是负载时滚珠与滚道型面接触的弹性变形所引起的螺母相对丝杠位移量；第二是丝杠与螺母几何间隙。丝杠与螺母的轴向间隙是传动中的反向运动死区，它使丝杠在反向转动时螺母产生运动滞后，直接影响进给运动的传动精度。因此，滚珠丝杠副除了对本身单一方向的进给运动精度有要求外，对其轴向间隙也有严格的要求。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退3．滚珠丝杆副间隙的调整（1）为了保证滚珠丝杠反向传动精度和轴向刚度，必须消除滚珠丝杆螺母副轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使每个螺母中的滚珠分别接触丝杆滚道的左右两侧。用这种方法预紧消除轴向间隙时，预紧力一般应为最大轴向负载的l/3。当要求不太高时，预紧力可小于此值。滚珠丝杠副消除间隙的方法是采用双螺母机构，对其轴向间隙进行调整和预紧，使其轴向间隙达到要求。基本原理是使丝杠上的两个螺母间产生轴向相对位移，以达到消除间隙和产生预紧力的目的。其结构形式有下述三种。3．滚珠丝杆副间隙的调整（2）双螺母垫片式消隙

双螺母垫片调隙结构是通过改变垫片的厚度，使两个螺母间产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆螺纹滚道的左右侧接触，达到消除间隙和产生预紧力的作用。此种形式结构简单可靠、刚度好，应用最为广泛，在双螺母间加垫片的形式可由专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便。双螺母垫片调整法（中间加垫片）图例双螺母垫片调整法（端部加垫片）图例3．滚珠丝杆副间隙的调整（3）双螺母螺纹式消隙利用螺母实现预紧，两个螺母以平键与外套相连，平键可限制螺母在外套内转动，其中一边螺母外伸部分有螺纹，两个锁紧螺母能使螺母相对丝杆做轴向移动。如图所示，利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧，调整好后用另一个圆螺母锁紧，这种结构调整方便，且可在使用过程中，随时调整，但预紧力大小不能准确控制。双螺母螺纹消隙图例3．滚珠丝杆副间隙的调整（4）双螺母齿差式消隙

如图所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为Z1、Z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移。图4-15双螺母齿差调隙结构齿差式消隙图例第一节机械基础知识三、轴承的类型、特点、及应用1．滑动轴承根据轴承中摩擦性质的不同，可把轴承分为滑动摩擦轴承(简称滑动轴承)和滚动摩擦轴承(简称滚动轴承)两大类。而每一类轴承，按其所能承受的载荷方向的不同，又可分为向心轴承(承受径向载荷)、推力轴承(承受轴向载荷)和向心推力轴承(同时承受径向和轴向载荷)等。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识三、轴承的类型、特点、及应用1．滑动轴承一般地说，选用滑动轴承还是滚动轴承，取决于使用上和工艺上的很多因素。但是，由于滑动轴承的摩擦损耗一般都比较大，维护也比较复杂，所以在很多场合常为滚动轴承所取代。只是由于滑动轴承本身的一些独特的优点，使得它在某些特殊场合仍占有重要地位。目前滑动轴承主要应用于以下几种情况：

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识(1)工作转速特高的轴承。因为在这种转速下，滚动轴承的寿命将大为降低。(2)要求对轴的支承位置特别精确的轴承。因为滑动轴承比滚动轴承中影响精度的零件数要少，故可制造得更为精确。(3)特重型的轴承。这时若采用滚动轴承，由于必须单件生产，因而造价很高。第一节机械基础知识(4)承受巨大的冲击和振动载荷的轴承。由于滑动轴承的轴瓦和轴颈间存在的油层的缓冲和阻尼作用，因而显示出较滚动轴承更优越的工作性能。(5)根据装配要求必须做成剖分式的轴承(如曲轴的轴承)。在这种场合，滚动轴承就无法满足要求。(6)轴的排列较紧密时，由于空间尺寸的限制，必须采用径向尺寸较小的轴承。(7)在特殊工作条件下(如在水或腐蚀性的介质中等)工作的轴承。因为这时滚动轴承将难于胜任。第一节机械基础知识要正确地设计滑动轴承，必须合理地解决以下问题：(1)轴承的型式和结构；(2)轴瓦的结构和材料选择；(3)轴承的强度和刚度；(4)润滑剂的选择和供应；(5)为了保证适当的润滑(特别是液体摩擦润滑)而必须考虑的轴承温度和压力的分布以及轴承间隙等问题；(6)轴承中的热平衡问题。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识2．滚动轴承滚动轴承是现代机器中广泛应用的零件。它依靠主要元件间的滚动接触来支承转动零件，故以滚动摩擦取代了滑动轴承中的滑动摩擦，因而具有摩擦阻力小，功率消耗少，起动容易等优点。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识2．滚动轴承在机器中，滚动轴承是作为一个支承部件，因而本章除讨论轴承本身的问题外，还要讨论与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的零件。这些零件组合起来常称为轴承组合。为了保证轴承组合在一定的载荷下能可靠地工作，并有足够的寿命，在设计时，需要综合考虑疲劳寿命、材料、摩擦、散热、润滑、加工精度、装配要求和经济性等一系列问题。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识2．滚动轴承所以一套完整的滚动支承的设计包含两个内容：一个是轴承本身的设计，由于常用的滚动轴承绝大多数已标准化，并由专门的工厂大量制造，因而对使用者来说，这一部分设计内容，只是根据具体工作条件，正确选择轴承的类型和尺寸；另一个则是轴承组合的设计，它包括安装、调整、润滑、密封等一系列内容的设计。

返回到总目录

返回本章目录

前进

后退第一节机械基础知识b)图4-6两种类型的滚动轴承1－内圈2－外圈3－滚动体4－保持架a)图4-7常用滚动体下面介绍滚珠丝杆副的支承方式4．滚珠丝杆副的支承方式（1）一端装止推轴承(固定－自由式)

如图a所示。这种安装方式的承载能力小，轴向刚度低，仅适应于短丝杆。4．滚珠丝杆副的支承方式（2）一端装止推轴承，另一端装深沟球轴承(固定－支承式)