第七讲 数控机床主轴部件

4．车削中心上，要求主轴具有C轴控制功能 车削中心上，要求主轴具有C
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。
角接触球轴承图例
1．数控机床主轴部件常用轴承类型（5） ．数控机床主轴部件常用轴承类型（ ）
角接触球轴承（ 角接触球轴承（2） 球轴承 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。
分段无级变速图例
１．分段无级变速（2） 分段无级变速（ ）
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。
电机直接驱动原理图
3．调速电机直接驱动主轴传动（2） ．调速电机直接驱动主轴传动（ ）
主轴传递的功率或转矩与转速之间关系 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 437～3500r／min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Ⅱ(图中实线部分)。在这 个区域内，主轴的最大输出扭矩(245N·m)随着主轴转速 的增高而变小。 主轴转速在35～437r／min范围内，主轴的输出转矩不 变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ(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。
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 ．
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） ．数控机床主轴部件常用轴承类型（ ）
角接触球轴承（ 角接触球轴承（1） 球轴承 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α=15°，α=25°和α=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。
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 同步带wk.baidu.com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
梯形齿 圆弧齿
2．数控机床主轴带传动变速（3） ．数控机床主轴带传动变速（ ）
三、数控机床主轴 传动方式、 传动方式、特点及应用范围
１．分段无级变速（1） 分段无级变速（ ）
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。
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） ．数控机床主轴部件常用轴承类型（ ）
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
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） 主轴常见支承方式（
前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双 前支承 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） 主轴常见支承方式（
数控机床与使用维修
第七讲 数控机床主轴部件
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、 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。
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不同。主轴组件必 须具备轴承间隙的调整机构。
四、主轴的支承方式
1．数控机床主轴部件常用轴承类型（1） ．数控机床主轴部件常用轴承类型（ ）
锥孔双列圆柱滚子轴承 锥孔双列圆柱滚子轴承 内圈为l∶12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主轴的旋转精度。 该轴承只能承受径向载荷。
前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。 前支承 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） 主轴常见支承方式（
前后支承采用双列和单列圆锥滚子轴承(如图c)。 前后支承 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。
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。
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) ．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 1 5 0 0 r/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。
6．具有恒线速度切削控制功能
利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Ｖ＝nπD为常 数，式中Ｖ是切削线速度，ｎ为主轴转速，Ｄ为 加工时切削直径。在控制系统中，Ｄ可由坐标轴 的进给量算出，然后计算出对应的主轴转速ｎ， 以保证切削的线速度保持不变。
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） ．调速电机直接驱动主轴传动（ ）
数控机床—般采用直流或交流主轴伺服电动机直 数控机床 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。
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 如图所示 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
１．分段无级变速（3） 分段无级变速（ ）
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 能够带动滑移齿轮移动实现 变速。
– – –
当１通油、５卸荷，滑移齿轮在最左侧。 当５通油，１卸荷，滑移齿轮在最右侧。 当１、５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。
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。
1．主轴驱动电机的机械特性分析(1) ．主轴驱动电机的机械特性分析(1)
主轴功率转矩特性曲线
3．调速电机直接驱动主轴传动（3） ．调速电机直接驱动主轴传动（ ）
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。
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Ｓ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，减少中间传动环节，简化主轴的机械 结构，一般要求主轴具备1∶（100～1000）的恒 转矩调速范围和1∶10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。
三位液压拨叉工作原理图
2．数控机床主轴带传动变速（1） ．数控机床主轴带传动变速（ ）
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（ ）
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） ．数控机床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。
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 调速范围与功率特性如图所示。 调速范围 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。