数控机床中主传动系统的主轴部件.docx

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数控机床中主传动系统的主轴部件

数控机床中主传动系统的主轴部件

班级：

13数控技术2　姓名：

李招弟　学号：

135307202

摘要：

数控机床是当代最先进的制造工具之一，是推动制造技术进步的原动力。

机床的主轴部件是机床的重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动。

数控机床主轴部件的精度、刚度、热变性等对加工质量和生产效率等有着重要的影响。

主轴是主轴部件中的重要组成部分，机床主轴带着刀具或夹具在支承件中做回转运动，需要传递扭矩，承受切削力，并保证必要的回转精度。

为了提高孔加工时孔径的一致性主轴部件上还设有准停装置。

自动装夹和切屑清除装置实现了刀具在主轴内的自动装卸和改善了孔的加工精度。

本课题的研究为提高了数控机床的工作性能和零件的加工质量。

关键词：

性能要求、主轴、主轴支承、准停装置、自动装夹和切屑清除装置、润滑和密封

Abstract

CNCmachinetoolsisoneofthemostadvancedmanufacturingtools,istopromotethemanufacturingandtechnologicalprogressthedrivingforce.Machinetoolspindlecomponentsisanimportantpartofmachinetools,whichledtotheimplementationoftheworkpieceormachinetoolcuttingmotion.EffectofprecisionCNCmachinetoolspindlemember,stiffness,heatdenaturationofprocessingqualityandproductionefficiencyhasimportant.SpindleSpindleisanimportantcomponentparts,machinetoolspindlewithatoolorfixturetodorotarymotioninsupport,weneedtotransfertorquetowithstandthecuttingforces,andtoensurethenecessaryrotationaccuracy.Inordertoimprovetheconsistencyoftheaperturewhentheholemachiningspindleassemblyalsohasaquasi-stopdevice.Automaticclampingdeviceandchipremovaltooltoachievetheautomaticloadingandimprovetheholeinthespindleprecision.ResearchonthistopicinordertoimprovetheprocessingqualityperformanceCNCmachinetoolsandparts.

Keywords：

Performancerequirements,spindle,spindlebearing,quasi-stopdevice,automaticclampingandchipremovaldevice,lubricationandsealing

1绪论

数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动、电力电子技术、自动控制、PLC、检测等技术为一体的自动化设备。

机床的主轴部件是机床的重要部件之一，主轴部件包括主轴、主轴的支承（轴承）、安装在主轴上的传动零件、密封件和相应的紧固件等，对于有自动换刀装置的数控机床，其主轴部件除主轴、主轴轴承和传动件等部分外，还有刀具自动装卸机构、吹屑装置及主轴准停装置等。

2主轴部件

2.1主轴组件的性能要求

主轴直接承受切削力，转速范围变化又较大，所以主轴的精度、刚度、热变性等对加工质量和生产效率等有着重要的影响。

2.1.1回转精度高

是指主轴在无负荷的转动条件下，主轴前端工作部位的径向和轴向跳动值应该尽可能小。

回转精度的测量一般分为静态测量、动态测量、间接测量。

目前我国在生产中大都还采用传统的静态测量。

2.1.2运动精度高

运动精度是指工作状态下的旋转精度。

这个精度通常与低速回转精度有较大差别，运动状态下的旋转精度取决于主轴的工作速度、轴承性能以及主轴本身的平衡性能。

数控机床要求主轴组件的运动精度较高。

2.1.3刚度好

主轴的刚度是指在受外力时，主轴抵抗变形的能力。

主轴组件的刚度越大，主轴受力后的变形就越小。

若是刚性不足，在切削力的作用下，主轴将产生较大的弹性变形。

不仅影响加工质量，还会破坏轴承的正常工作条件、加快磨损。

主轴组件的刚度和主轴的结构尺寸、支承跨距、所选轴承类型及配置形式、轴承间隙的调整、主轴上传动元件的位置等有关。

2.1.4抗震性强

抗震性是指切削加工时，主轴保持平稳运转而又不发生震动的能力。

2.1.5主轴温升低

主轴运转时温升过高会引起两方面的不良结果：

一是主轴箱及箱体温度随时间的变化而变化，造成各零件之间的相互位置关系发生变化，使机床丧失原有的调整精度，从而影响被加工工件的尺寸受热变形直接影响加工精度；二是轴承会因为温度升高而改变已调整好的间隙，破坏正常的润滑条件，影响轴承的正常工作，甚至出现吧“抱轴’。

为了减少主轴组件的热变形，可以从减少热源、充分散热、使温度升高稳定并分布均匀等方面入手。

2.1.6耐磨性好

耐磨性指主轴组件长期保持其原始精度的能力，即主轴精度保持性。

只有具备足够的耐磨性，才能长期保持精度。

因此主轴的关键部位（如主轴锥孔）要经良好的表面热处理，提高耐磨性。

主轴轴承也要有良好的润滑，以提高其耐磨性。

2.1.7可靠性高

数控机床自动的工作，对可靠性要求的特别高。

2.2主轴

主轴是主轴部件中的关键零件。

它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等对主轴部件的工作性能有很大的影响。

主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。

主轴的主要尺寸参数包括:

主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。

决定主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴部件的工艺适用范围。

（1）主轴的主要尺寸参数包括:

主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。

决定主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴部件的工艺适用范围。

（2）主轴的主要尺寸参数：

①主轴直径主轴直径越大，其刚性越高，但轴承和主轴上其他零件的尺寸也相应增大。

轴承直径越大，同等级精度轴承的公差值也就越大，要保证主轴的旋转精度就越困难，同时极限转速也下降。

主轴后端支承轴颈的直径一般为前支承轴颈的0.7～0.8倍，实际尺寸要到主轴组件设计时确定。

前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。

②主轴内孔直径主轴内孔是用来通过棒料及刀具夹紧装置，也可用于通过气动、液压卡盘的联结件。

主轴内孔直径越大，可通过棒料的直径就越大，机床的使用范围就越宽，同时主轴部件也越轻。

主轴内孔直径的大小主要受主轴刚度的制约。

当主轴内孔直径与主轴直径之比小于0.3时，空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；当主轴内孔直径与主轴直径之比为0.5时，空心主轴的刚度为实心主轴的刚度90%；当主轴内孔直径与主轴直径之比大于0.7时，空心主轴的刚度急剧下降。

③悬伸长度主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸、前轴承的类型和组合方式及轴承的润滑与密封有关。

主轴的悬伸长度对主轴的刚度影响很大，主轴的悬伸长度越短，其刚度越好。

④支承跨度主轴部件的支承跨距对主轴的刚度有很大的影响。

跨距对主轴部件综合刚度的影响不是单向的。

如跨距较大，则主轴变形较大；如跨距较小，则轴承的变形对主轴前端的位移影响较大。

所以跨距有一个最佳值，跨距太大或太小，都会降低主轴的综合刚度。

（3）主轴端部的结构形式：

主轴端部的结构与其需实现的功能有关，加工及装配的工艺性也是影响其形状的因素。

主轴端都是用来安装刀具或夹持工件的夹具，在设计上，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。

2.3主轴支承

2.3.1主轴轴承的分类

滚动轴承

滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定的工作。

滑动轴承

“动压轴承”和“静压轴承”，这两个概念只有滑动轴承才有。

他们的原理都是一样的，采用滑动摩擦的形式，限定工件在径向的位置。

滚动轴承

动压轴承

静压轴承

旋转精度

一般或较好

单：

一般

多：

较高

可以很高

精度保持性

高速时差

好

好

刚度

一般

高

高

承载能力

一般

高

可以很高

抗震性

不好

好

很好

速度性能

低中速时好

适应变速范围大

中高速时好

适应变速范围小

适应各种速度

角接触球轴承

可承受径向载荷，也可承受轴向载荷。

接触角a=15（C），编号为7000C

接触角ａ=25（AC），编号为7000AC

多用于轴向载荷小，转速较高的地方。

深沟球轴承

一般不能调整间隙，常用于精度和刚度要求不太大的地方，轴向载荷由配套的推力轴承承受。

2.3.2主轴轴承的配置

主轴轴承的选择和配置形式主要根据主轴部件的工作任务及结构特性来决定的。

机床主轴主要有两支承和三支承两种。

前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合。

后支承采用成对角接触球轴承。

这种配置形式使主轴的综合强度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。

前后轴承及中间辅助支承均采用高精度向心推力球轴承的配置。

这种轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达400r/min，它的轴承承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。

前后支承采用双列圆锥滚子轴承和圆锥滚子轴承的配置。

在确定两支承主轴轴承配置形式时应遵循以下两个原则：

适应高刚度和承载能力要求的配置方式。

适应高转速的配置方式。

2.3.3主轴轴承的安装

（1）单个轴承的装配。

轴承、主轴、支承孔均存在着制造误差，通过对各种误差的分析，采用选配法进行装配，可以提高主轴组件的精度。

装配时应该尽可能地使主轴定位内孔与主轴轴颈的偏心量接近轴承内圈与滚道的偏心量，并使其方向相反，这样可以使装配后的偏心量减少。

（2）两个轴承的装配。

两支承的主轴轴承安装时，除了要使前后两支承的偏心量方向相同，还应该选择适当的偏心距。

为了使装配后的主轴组件的前端定位表面的偏心量最小，通常前端轴承的精度应比后轴承的精度高。

2.3.4滚动轴承的间隙及预紧

滚动轴承由于存在间隙，在载荷作用下，内外圈就要产生相对移动，这将降低轴承的刚度，引起轴的径向和轴向振动，使机器的工作精度和寿命受到影响。

为了减小这种振动，对于高精度和高速的机械设备，在安装滚动轴承时往往采用预紧的方法，即在安装时预先给予轴承一定的载荷（径向或轴向），消除其原始游隙，而且使轴承体和内外圈产生弹性变形，从而防止工作时内外圈之间产生相对移动。

（1）预加负荷的目的：

对主轴轴承预加负荷，使滚珠与滚道消除了原始游隙并形成了一定的弹性变形，当承受外界载荷时，轴承已具有一定的刚性，对于与外界载荷受力方向相反安装的轴承，不会因为受到外界载荷而使滚珠与滚道产生间隙，从而提高了主轴的回转精度，加强了主轴的刚度并提高了使用寿命，同时还可降低噪声。

（2）预加负荷的原则：

预加负荷的大小、一般是根据工作载荷大小、主轴旋转精度和转速高低来确定的。

1、主轴载荷小、旋转精度高及转速低的，可取较大的预加负荷。

2、工作载荷大、转速高的，由于容易发热膨胀，宜取较小的预加负荷。

（3）预加负荷的分类及方法：

滚动轴承预加负荷的方法有两种：

径向预加负荷和轴向预加负荷。

1、径向预加负荷：

径向预加负荷通常是使轴承内圈胀大来实现，或通过移动轴承内锥孔的轴向位置实现预紧。

2、轴向预加负荷：

轴向预加负荷的方法常用以下几种：

（1）修磨垫圈厚度法：

使轴承内外圈相对移动而实现预紧。

当垫圈1的厚度越小时，则角接触球轴承的预紧力越大；当垫圈2厚度越小时，则预紧力越小。

（2）调节内外隔圈厚度法：

用调节内外隔圈厚度的方法实现预紧，由于隔圈厚度，故角接触球轴承内外圈之间产生了预紧力。

（3）弹簧预紧法：

用弹簧实现预紧，它能随时补偿轴承的磨损和轴向热胀伸长的影响，而预紧力基本保持不变。

（4）磨窄成对使用的轴承内圈或外圈法：

用磨窄成对使用的轴承内圈或外圈的方法来实现预紧，为磨窄内圈，装配时两个内圈相对压紧，轴承便可产生预紧；为磨窄外圈，装配时两个外圈相对压紧，轴承便可产生预紧。

（5）螺钉挡盖调整法：

调整时，先将调整螺钉向前拧，使挡盖3紧靠轴承外圈端面至轴转动时发紧为止，然后再将调整螺钉拧回数扣，调整至轴承的轴向游隙合适，调好后，拧紧锁紧螺母，最后再进行游隙检查，上述过程可反复数次，直至将轴承调整到最佳状态。

（6）止推环调整，先把具有外螺纹的止推环拧紧，到轴转动时发紧为止，然后根据轴向间隙的要求，将止推环拧到一定角度，最后用止动片预以固定。

（7）双列圆锥滚子轴承游隙的调整，双列圆锥滚子轴承调整游隙的方法是：

1）将两轴承内圈间调整环取出。

2）将轴承内外圈放置在水平面上，用量规沿圆周等分测H平均厚度（垂直方向应加预紧力）。

3）查表得出该轴承对应的游隙值，加上测得的H值即为调整环应有的厚度。

4）将留有调整余量的调整环在平面磨床加工好后组装使用。

5）经过一段时间运行后，依此进行调整再次使用。

2.4主轴准停装置

为了完成ATC（刀具自动交换）的动作过程，必须设置主轴准停机构。

由于刀具装在主轴上，切削时切削转矩不可能仅靠锥孔的摩擦力来传递，因此在主轴前端设置一个突键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与突键对准，才能顺利换刀；为此，主轴必须准确停在某固定的角度上。

由此可知主轴准停是实现ATC过程的重要环节。

1-无触点开关；2-感应快；3-V形槽轮定位盘；

4-定位液压缸；5-定向滚轮；6-定向活塞

图1V形槽轮定位盘机械准停原理示意图

2.4.1机械式

（1）机械凸轮机构

（2）光电盘方式进行粗定位，然后有一个液动或气动的定位销插入主轴上的销孔或销槽实现精确定位，完成换刀后定位销退出，主轴才开始旋转。

采用这种传统方法定位，结构复杂，在早期数控机床上使用较多。

2.4.2电气式

现代数控机床采用电气方式定位较多。

（1）用磁性传感器检测定位，在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹1~2mm处固定一个磁传感器，它经过放大器并与主轴控制单元相连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。

（2）主轴编码器检测定位，这种方法是通过主轴电动机内置安装的位置编码器或在机床主轴箱上安装一个与主轴1∶1同步旋转的位置编码器来实现准停控制，准停角角度可任意设定。

2.4.3主轴准停功能：

（1）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（保证自动换刀）；

（2）在加工精密坐标孔时，每次都能在主轴的固定圆周位置换刀（提高刀具重复定位精度）；

（3）满足一些特殊工艺要求，如反镗循环。

2.5刀具的自动夹紧和切屑清除装置

在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。

自动清除主轴孔中切屑和灰尘是换刀操作中的一个不容忽视的问题。

如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其它污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。

为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。

2.6主轴组件的润滑和密封

2.6.1主轴轴承的润滑

润滑的主要作用是利用润滑剂在摩擦面间形成隔离作用的润滑油膜以防止或减少摩擦的产生。

此外润滑剂也能防止轴承锈蚀，起到降低轴承噪声和冷却的作用。

（1）油脂润滑方式。

它是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支撑轴承上更为常用。

（2）油液循环润滑。

对一般主轴承来说，后支撑上采用这种润滑方式比较常见。

（3）油雾润滑方式。

油雾式润滑方式是将油液经高压气体雾化后，从喷嘴喷到需润滑的部位的润滑方式。

（4）油气润滑方式。

油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式。

它是用极微量油润滑轴承，以抑制轴承发热。

2.6.2主轴的密封

为了防止润滑剂泻出，防止灰尘、切屑微粒及其他杂物和水分侵入，轴承必须要进行必要的密封，以保持良好的润滑条件和工作环境，使轴承达到预期的工作寿命。

主轴的密封分为接触式和非接触式两种。

非接触式密封包括间隙式、迷宫式和垫圈式。

非接触式的油液密封时，为了防漏，应保证回油能尽快排掉以及回油孔的畅通。

接触式密封包括毛毡密封、皮碗密封等。

在此类密封装置中，密封件与轴或其他配合件直接接触，故工作中产生摩擦磨损使温度升高。

一般适用于低、中速条件下的轴承密封。

结论

通过本课题的研究，我充分的认识了数控机床的主轴部件，对其性能特征也有了一定的了解，明白了主轴部件对工件加工质量和生产效率的影响。

同时我也学会了如何减少数控机床的损伤，延长其寿命，同时提高工件的加工质量。

通过查找资料，我认识到了从前没有在意的知识的重要性，同时我也学到了许多在课堂上学不到的知识，提高了自己独立完成学习任务的能力，这对我的学习能力是一个质的提升。

参考文献：

[1]李虹霖等.机床数控技术.上海：

上海科学技术出版社，2012.

[2]戴曙等.金属切削机床.大连理工大学，机械工业出版社 

[3]夏庆观等.数控机床主轴结构（M）.北京：

高等教育出版社，2002

[4]杨美英等.机械工程与自动化.北京：

清华大学出版社，2005

（注：

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