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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
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。
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。
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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。
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 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（ ）
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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（
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。