第二讲 数控机床主轴部件

2．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


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 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。
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

前支承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(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

前支承采用高精度双列向心推力球轴承(如图b)。 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。
数控机床装调与维修
第二讲 数控机床主轴部件
武汉船舶职业技术学院机械工程学院
主讲教师 周兰ห้องสมุดไป่ตู้
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、特点及应用范围 主轴的支承方式 数控机床典型主轴部件
一、对主运动部件要求
1．转速高、功率大

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。
2．调速范围宽并实现无级变速

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．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＝nπ D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。


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。
三位液压拨叉工作原理图
分段无级变速图例
１．分段无级变速（2）
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。
１．分段无级变速（3）
2．JCS-018A加工中心主轴部件（3）
主轴基本构成（2） 主轴内部和后端安装的是刀具自动夹紧机构。它 主要由拉杆7、拉杆端部的四个钢球3、碟形弹簧 8、活塞10、液压缸11等组成。
2．JCS-018A加工中心主轴部件（4）
主轴工作原理（1） 取用过刀具过程 CNC发出换刀指令→液压缸 （7）右腔进油→活塞（6）左移→推动拉杆（4） 克服弹簧（5）的作用左移→带动钢球（12）移 至大空间→钢球失去对拉钉（2）的作用→取刀
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
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

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
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．高速主轴与电主轴（4）

电主轴的基本参数和主要规格 套筒直径、最高 转速、输出功率、转矩和刀具接口等，其中套筒 直径为电主轴的主要参数。
1．高速主轴与电主轴（5）
高速电主轴的典型结构（1） 主轴由前后两套滚珠轴承来支承。 电动机的转子用压配合的方法安装在机床主轴上， 处于前后轴承之间，由压配合产生的摩擦力来实 现大转矩的传递。
用于普通加工中心作增速用的电主轴图例
1．高速主轴与电主轴（3）
国际上著名的电主轴生产厂家

瑞士FISCHER公司、IBAG公司和STEP－UP公 司，德国的GMN公司和FAG公司； 美国的PRECISE公司； 意大利的GAMFIOR公司和FOEMAT公司； 日本的NSK公司和KOYO公司 瑞典的SKF公司等。

角接触球轴承图例
1．数控机床主轴部件常用轴承类型
角接触球轴承（2）


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。
3．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 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。
电主轴典型结构图例
2．JCS-018A加工中心主轴部件（1）

如图所示为主轴箱结构简图，主要由四个功能部 件构成，分别是主轴部件、刀具自动夹紧机构、 切屑清除装置和主轴准停装置。
1-主轴 2-拉钉 3-钢球 4-前支承
5-锁紧螺母
6-后支承 7-拉杆 8-蝶形弹簧 9-圆柱弹簧
10-活塞
11-液压缸
主轴功率转矩特性曲线
四、主轴的支承方式
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 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。
1．高速主轴与电主轴（5）
高速电主轴的典型结构（2）


电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴的壳体中。 这样，电动机的转子就是机床的主轴，电主轴的箱体就 是电动机座，成为机电一体化的一种新型主轴系统。 主轴的转速用电动机的变频调速与矢量控制装置来改变。 在主轴的后部安装有齿盘和测速、测角传感器。 主轴前端外伸部分的内锥孔和端面，用于安装和固定加 工中心可换的刀柄。
2．JCS-018A加工中心主轴部件（5）
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
五、数控机床典型主轴部件
1．高速主轴与电主轴（1）

随着电气传动技术(变频调速技术、电动机矢量控制技术 等)的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械 结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机 床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链 的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。 称 为“主轴单元”或“电主轴”。 电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大， 还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能， 以确保其高速运转的可靠性与安全。

数控机床—般采用直流或交流主轴伺服电动机直 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。
电机直接驱动原理图
2．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)。 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。
数控机床主轴常见支承方式图例
3．主轴支承的典型结构

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
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。