机械制造技术基础课件最新版第三章金属切削机床第2节

第二节 金属切削机床部件
2)直流伺服电动机 ➢小惯量直流电动机
优点：转子直径较小、轴向尺寸大。长径比约为5,故转动惯量小,仅 为普通直流电动机的1/10左右,因此响应时间快;
缺点：额定转矩较小,一般必须与齿轮降速装置相匹配。 应用：高速轻载的小型数控机床。
➢大惯量直流电动机（宽调速直流电动机） ✓电励磁 ✓永久磁铁励磁 优点：电动机频率高、定位精度好、调整简单、工作平稳。 缺点：转子温度高、转动惯量大、时间响应较慢。
图3-8 高速内圆磨床的主轴单元
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3.主轴部件结构 (1)主轴的支承形式
多数机床的主轴采用前、后两个支承。这种方式结构简单,制造装配 方便,容易保证精度。为提高主轴部件的刚度,前后支承应消除间隙或预紧。
为提高刚度和抗振性,有的机床主轴采用三个支承。三个支承中可以 前、后支承为主要支承,中间支承为辅助支承;也可以前、中支承为主要支承, 后支承为辅助支承。三支承方式对三支承孔的同心度要求较高,制造装配较 复杂。主支承也应消除间隙或预紧,“辅助”支承则应保留一定的径向游隙或 选用较大游隙的轴承。
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一、传动系统 1.主传动系统
(1)按驱动主传动的电动机类型
单速交流电动机驱动 ➢交流电动机驱动
调速交流电动机驱动
➢直流电动机驱动
多速交流电动机 无级调速交流电动机驱动(变频调速)
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(2)按传动装置类型 ➢机械传动装置 ➢液压传动装置 ➢电气传动装置 ➢上述组合装置
图3-7 同步带传动 a)同步带传动 b)同步带结构 1—包步层 2—带齿 3—带背 4—承载绳
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(3)电动机直接驱动方式——如果主轴转速不算太高,采用普通异步电动机直 接带动主轴,如平面磨床的砂轮主轴。如果转速很高,可将主轴与电动机制成 一体,成为主轴单元。主轴单元大大简化了结构,有效地提高了主轴部件的刚 度,降低了噪声和振动;有较宽的调速范围;有较大的驱动功率和转矩;便于组 织专业化生产。因此广泛地用于精密机床、高速加工中心和数控车床中。
主轴的材料应根据载荷特点、耐磨性要求、热处理方法和热处理后 变形情况选择。普通机床主轴可选用中碳钢(如45钢),调质处理后,在主轴端 部、锥孔、定心轴颈或定心锥面等部位进行局部高频淬硬,以提高其耐磨性。 只有载荷大和有冲击时,或精密机床需要减小热处理后的变形时,或有其他特 殊要求时,才考虑选用合金钢。当支承为滑动轴承,则轴颈也需淬硬,以提高耐 磨性。
➢闭环控制可以消除整个系统的误差、间隙和失动,其定位精度取决于检测 装置的精度,其控制精度、动态性能等较开环系统好;但系统比较复杂,安装、 调整和测试比较麻烦,成本高,多用于精密型数控机床上。
➢半闭环系统的精度比闭环差。由于惯性较大的工作台在闭环之外,系统稳 定性较好。与闭环相比,半闭环系统结构简单、调4 直线伺服电动机的型式 a)短次级 b)短初级 1—初级 2—次级
图3-5 直线伺服电动机传动示意图 1—直线滚动导轨 2—床身 3—工作台 4—直流电动机动件(绕组) 5—直流电动机定件(永磁铁)
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(3)电气伺服进给系统中的机械传动部件 机械传动部件主要指齿轮(或同步齿轮带)和丝杠螺母传动副。 电气伺服进给系统中,运动部件的移动是靠脉冲信号来控制的,要求运
支承件的截面形状设计是应保证在最小质量条件下,具有最大静刚度。 静刚度主要包括弯曲刚度和扭转刚度,均与截面惯性矩成正比。支承件截面 形状不同,即使同一材料、相等的截面积,其抗弯和抗扭惯性矩也不同。一般 而言:
1)无论是方形、圆形或矩形,空心截面的刚度都比实心的大,而且同样 的断面形状和相同大小的面积,外形尺寸大而壁薄的截面,比外形尺寸小而壁 厚的截面的抗弯刚度和抗扭刚度都高。所以为提高支承件刚度,支承件的截 面应是中空形状,尽可能加大截面尺寸,在工艺可能的前提下壁厚尽量薄一些。 当然壁厚不能太薄,以免出现薄壁振动。
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2.主轴部件的传动方式 (1)齿轮传动——结构简单、紧凑,能传递较大的转矩,能适应变转速、变载荷 工作,应用最广。缺点是线速度不能过高,通常小于12~15m/s,不如带传动平稳。 (2)带传动——常用的有平带、V带、多楔带和同步带等。带传动的特点是 靠摩擦力传动(除同步带外)、结构简单、制造容易、成本低,特别适用于中 心距较大的两轴间传动。传动带有弹性可吸振,传动平稳,噪声小,适宜高速传 动。带传动在过载中会打滑,能起到过载保护作用,缺点是有滑动,不能用在速 比要求准确的场合。
(2)刚度——主轴部件在外加载荷作用下抵抗变形的能力,通常以主轴前端产生单位 位移的弹性变形时,在位移方向上所施加的作用力来定义。
(3)抗振性——抵抗受迫振动和自激振动的能力。在切削过程中,主轴部件不仅受静 态力作用,同时也受冲击力和交变力的干扰,使主轴产生振动。
(4)温升和热变形——主轴部件运转时,因各相对运动处的摩擦生热,切削区的切削 热等使主轴部件的温度升高,形状尺寸和位置发生变化,造成主轴部件的所谓热变形。
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3)交流伺服电动机
采用新型的磁场矢量变换控制技术,对交流电动机作磁场的矢量控制;将 电动机定子的电压矢量或电流矢量作为操作量,控制其幅值和相位。它没有电 刷和换向器,因此可靠性好、结构简单、体积小、质量轻、动态响应好。
优点：输出功率高、质量轻、价格低、效率高、调速范围广、响应频 率高。
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3)半闭环系统 如果检测元件不是直接安装在执行部件上,而是安装在进给传动系中
间部位的旋转部件上,称为半闭环系统。 图a所示是将检测元件安装在伺服电动机的端部;图b所示是将检测元
件安装到丝杠的端部,用测量丝杠的转动间接测量工作台的移动;图c所示是 将检测元件和伺服电动机一起安装在丝杠的端部。
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(3)按变速的连续性
➢分级变速传动（ 20~30级）：滑移齿轮变速 交换齿轮变速 离合器变速
✓优点：
✓缺点：
✓应用：
•传递功率较大
•速度损失
•通用机床
•变速范围广
•不能在运转中变速
•尤其是中小型通用机床
•传动比准确
•工作可靠
➢无级变速传动：机械摩擦无级变速器 液压无级变速器 电气无级变速器
图3-3 半闭环系统 a)伺服电动机反馈 b)、c)从动杠反馈 1—反馈装置 2—伺服电动机 3—齿轮
4—丝杠螺母传动 5—工作台
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➢开环伺服系统的精度取决于步进电动机的步距角精度、步进电动机至执行 部件间传动系的传动精度。这类系统定位精度较低（ (±0.01~±0.02)mm ）, 但系统简单,调试方便,成本低,适用于精度要求不高的数控机床中。
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三、机床支承件 1.支承件应满足的基本要求：
1)应具有足够的刚度和较高的刚度-质量比。
2)应具有较好的动态特性,包括较大的位移阻抗(动刚度)和阻尼;整机的低阶 频率较高,各阶频率不致引起结构共振;不会因薄壁振动而产生噪声。
3)热稳定性好,热变形对机床加工精度的影响较小。
4)排屑畅通、吊运安全,并具有良好的结构工艺性。
动部件动作灵敏、低惯量、定位精度好,具有适宜的阻尼比及传动机构不能 有反向间隙。
图3-6 滚珠丝杠螺母副的结构 1—密封环 2、3—回珠器 4—丝杠 5—螺母 6—滚珠
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二、主轴部件 1.主轴部件应满足的基本要求 1)旋转精度——装配后,在无载荷、低速转动条件下,在安装工件或刀具的主轴部位 的径向和轴向跳动。
图3-11 机床床身截面图 a)车床类床身 b)镗床、龙门刨床类床身 c)大型和重型机床类床身
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3.支承件的材料
(1)铸铁 一般支承件用灰铸铁制成,在铸铁中加入少量合金元素可提高耐磨性。铸铁
铸造性能好,容易获得复杂结构的支承件,同时铸铁的内摩擦力大,阻尼系数大,使振动 衰减的性能好,成本低。但铸件需要木模芯盒,制造周期长,有时产生缩孔、气泡等缺 陷,成本高,适于成批生产。
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(2)电气伺服进给系统驱动部件
➢步进电动机 ➢直流伺服电动机 ➢交流伺服电动机
1)步进电动机 步进电动机又称脉冲电动机,是将电脉冲信号变换成角位移(或线位
移)的一种机电式数-模转换器。它每接收数控装置输出的一个电脉冲信号, 电动机轴就转过一定的角度,称为步距角。步距角一般为0.5°~3°,角位移与 输入脉冲个数呈严格的比例关系,步进电动机的转速与控制脉冲的频率成正 比。
➢开环系统 ➢闭环系统 ➢半闭环系统
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1)开环系统 典型的开环伺服系统采用步进电动机。开环系统对工作台实际位移
量没有检测和反馈装置。数控装置发来的每一个进给脉冲由步进电动机直 接变换成一个转角(步距角),再通过齿轮(或同步带、滚珠丝杠螺母)带动工作 台移动。
图3-1 开环伺服系统
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2)圆(环)形截面的抗扭刚度比方形好,而抗弯刚度比方形低。因此,以 承受弯矩为主的支承件的截面形状应取矩形,并以其高度方向为受弯方向;以 承受转矩为主的支承件的截面形状应取圆(环)形。
3)封闭截面的刚度远远大于开口截面的刚度,特别是抗扭刚度。设计 时应尽可能把支承件的截面做成封闭形状。但是为了排屑和在床身内安装 一些机构的需要,有时不能做成全封闭形状。
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(2)主轴的构造 主轴的构造和形状主要决定于主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、
轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。主轴一般为空心阶梯 轴,前端径向尺寸大,中间径向尺寸逐渐减小,尾部径向尺寸最小。
图3-9 车床主轴简图
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(3)主轴的材料和热处理
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