机床主轴[1]

工具機系統設計與分析
主軸系統(一)
系統簡介
紀華偉 大葉大學機械與自動化工程學系 林肇遠 友嘉實業股份有限公司工具機事業部 2008.03.11

課程內容
‧概述 ‧主軸架構 ‧主軸設計要求
大葉大學機械與自動化工程學系
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概述
‧工具機市場需求
3C 3C 模具 模具 航太輕合金 航太輕合金 汽機車 汽機車 一般加工 一般加工
大葉大學機械與自動化工程學系
高速鑽孔攻牙，輕切削面銑 1mm以下小孔徑鑽孔
高速
硬鋼材加工，曲面加工
高速銑削，曲面加工 高速銑削，鑽孔，攻牙 精密搪孔
高精度
高效率
鑽孔，攻牙，面銑，搪孔
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概述
• 主軸為工具機進行加工時，直接帶動刀具 或工件旋轉，進行切削、研磨..等加工程序 之重要單元。
– 帶動工件旋轉，如車床。 – 帶動刀具旋轉，如銑床。
• 依驅動方式分為:
– 齒輪式 – 皮帶式 – 馬達內藏式 – 直結式
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概述
• 依驅動方式分為:
– 齒輪式
motor
優點： • 傳動系統扭轉剛性大，能 承受低速高扭力負載 • 適合低速大切深加工，但 主軸剛性須加大 缺點： • 效率差，傳輸功率損耗大， 噪音大，油污染 • 高速受限制 • 齒輪及箱體製造成本高
Gear Spindle 8k~20k rpm
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概述
• 依驅動方式分為:
– 皮帶式
優點： • 高張力低噪音齒型設計，高 速時噪音比齒輪式低 • 組裝，維修容易，成本低 缺點： ‧ 傳動系統撓性大，扭轉剛性低 ‧ 皮帶拉力易使後端主軸溫升加大 ‧ 高速運轉受皮帶限制而無法提高 ‧ 過負荷切削易使皮帶滑移。
motor
Belt Spindle 8k~15k rpm
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概述
• 依驅動方式分為:
– 馬達內藏式
優點： •電磁能直接傳動為機械能，無傳遞功率損耗，亦 無須考慮如 DDS 主軸連軸器的剛性問題 • 此外馬達具有雙線圈兩段輸出功率，具備低速高 扭力功能 • 低速重切削能力大約介於齒輪式與皮帶式之間 • 高速切削能力則較優。 缺點： • 製造及材料成本高， • 組裝複雜，維修困難度高 • 線圈發熱易影響主軸溫升。 轉子 定子
15k~200k rpm Spindle
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概述
• 依驅動方式分為:
– 直結式
優點： • 高速化，噪音遠低於皮帶式主軸 • 直接電磁能 - 機械能轉換 • 低傳輸功率損耗 • 低速重切削不會有皮帶式之跳脫問題 缺點： • 系統總組合長度拉長， • 組裝精度要求高， • 使用在C-frame重量集中前端。 • 動平衡校正較困難， 聯軸器易受切削激振鬆脫。
motor
Coupling
Spindle
15k~30k rpm
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概述
• 各式主軸
軸線可動主軸
液靜壓主軸
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液動壓主軸
滾珠軸承主軸
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主軸架構
• 車削中心機(Turning Center)
Supporting Bearings
Chuck
Pulley
Main Bearing set
資料來源: FAG
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Tool Holder Main Bearing set Supporting Bearings Balancing block Mounting Flange Water Jacket Pulley

密封環密封環刀把介面

•綜合加工機(machining Center)

馬達定子

馬達轉子HSK 刀把冷卻水套冷卻水套

碟型彈簧

馬達內藏式主軸

Supporting Bearings

Mounting Flange

Balancing block

Pulley

Water Jacket

Main Bearing set

主軸之心軸為一多段式中空階梯樑，是主

軸承系統，為主軸旋轉組件。

F

刀具端軸承後端軸承a L 跨距懸伸

•

l a

心軸變形

襯套變形軸承變形系統變形

+ +

=F F

F

F

•

碟型彈簧之並串聯(以並串聯上調整拉刀力)

刀具夾持系統

定位及更短換刀時間。

•冷卻系統

–主軸熱源

•軸承

•馬達

•切削

CTS coolant

灰塵及切削液容易侵入。

油量與溫升及摩擦損失關係圖

Oil/Air Mist Oil Jet

基速

高速、高精度、

高剛性主軸單元高性能軸承

高性能軸承高性能刀具夾持系統高性能刀具夾持系統適當主軸設計適當主軸設計高精度主軸元件

高精度主軸元件適當組裝程序

適當組裝程序動平衡校正

動平衡校正高性能主軸馬達高性能主軸馬達高效率冷卻系統高效率冷卻系統高性能潤滑系統

高性能潤滑系統