数控机床主传动系统

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• 3.2 主轴及其部件结构
• 3.主轴的材料和热处理 主轴材料选择主要根据刚度、载荷特点、耐
磨性要求的热处理变形大小等因素确定,常用材 料:45、40Cr、38CrMoAl等。
一般要求的机床主轴选用45,进行调质处理 (预)获得较好综合机械性能(22-28HRC), 再根据使用要求对一些表面进行表面淬火(4048HRC);当载荷较大或存在冲击或精密机床高 轴为减少热处理后的变形或轴向移动的主轴为提 高耐磨性,可选用合金钢如40Cr,调质处理+表 面淬火(42-50HRC),或是选用20Cr进行渗碳 淬火(56-62HRC);高精密机床的主轴材料则 选用38CrMoAl氮化处理,硬度850-1000HVC。
机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动,传递 切削转矩承受切削抗力并保证必要的旋转精度,机床主轴 多采用滚动轴承作支承,对于精度要求高、承受较大切削 载荷的主轴可采用动压或静压滑动轴承作支承。 • (1)主轴轴承的类型 • 1)滚动轴承
图3-15 主轴常用的滚动轴承
• 3.2 主轴及其部件结构 • 2)主轴轴承的结构配置
图3-2 VMC-15加工中心的主传动系统 1—主轴 2—主轴箱 3、6—带轮 4—多楔带 5—主电动机 7—切削液喷嘴
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• (2)刀具的自动夹紧与放松 VMC-15刀具在主轴上夹紧 与放松的基本原理与大多数加工中心类似,以碟形弹簧的 弹性力拉紧,气缸的气压力松开。
图3-3 VMC-15加工中心主轴上刀柄夹紧与放松示意图 1—钢球 2—拉杆 3—套筒 4—主轴 5—碟形弹簧
10左右,传递功率由几瓦至数千瓦。 • 5)维修保养方便,不需要润滑。 • 6)安装时中心距要求严格,带与带轮制造工艺较
复杂,成本高。
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• 3.1 数控机床的主轴系统
• 3.用两个电动机分别驱动主轴传动(分段无级变速) 高速时通过带传动、低速时通过齿轮传动,降速齿轮
可使输出转矩提高,升速齿轮可使恒功率区扩大,变速范 围增加,避免了低速时转矩不足和电机功率不能充分利用 的问题,但只有一个电机处于工作状态,浪费。
• 3.1 数控机床的主轴系统
• 2.通过带传动的主轴传动(无级变速)

这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的小型数
控机床,结构简单、安装调试方便,但传递转矩小,变速 范围受电机限制。常用的有多楔带和同步齿形带。

多楔带结合了V带及平带的优点,运动时振动小、发
热少、运转平稳,线速度可达40m/s,且多楔带与带轮接
机床主轴由内装式电机直接驱动,从而使主轴部件从机床传动系 统和整体结构中独立出来。成为“主轴单元”,又称为“电主轴”。 其不存在复杂的中间传动环节,具有调整范围广、振动噪声小、易控 制、能实现准停、准速、准位,加工效率和加工精度高。
图3-8 电主轴
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• 3.2 主轴及其部件结构
主轴部件是数控机床的一个关键部件,包括主 轴、主轴的支承、安装在主轴上传动件、密封件、 自动夹紧装置及吹屑装置、准停装置等等。主轴 部件质量的好坏直接影响机床加工精度和加工质 量,它的输出功率大小与回转速度影响加工效率, 自动变速、准停和换刀等功能影响机床的自动化 程度。因此,主轴部件应满足以下几个方面的要 求:高回转精度、刚度、抗振性、耐磨性和热稳 定性等,而且在主轴上安装有刀具或工件的自动 夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等, 以求很好地解决刀具或工件的装夹、轴承的配置、 轴承间隙调整和润滑密封等问题。
• 上述公式中,K为常数,金刚石压头时K=0.2MM,淬火钢球压头时K=0.26MM;H为主载荷解除后 试件的压痕深度;C也为常数,一般情况下C=0.002MM。由此可以看出,压痕越浅,HR值越大, 材料硬度越高。对于硬度较高的制刀材料,制刀界通用HRC来表示刀锋硬度,比如60HRC,即代 表在试验载荷为1471.1N、使用顶角为120°的金刚石圆锥压头时,被试材料的压痕深度为0.08MM。
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• (3)主轴轴承 主轴定位于高精度的角接触球轴 承上,这种轴承成对组配,按给定级别预紧,其 装配在净化室内进行。
• (4)准停装置 在自动换刀数控镗铣床上,切削 力矩通常是通过刀杆的端面键来传递的,因此在 每次自动装卸刀杆时,都必须使刀柄上的键槽对 准主轴上的端面键,这就要求主轴具有准确周向 定位的功能,即主轴准停功能。
图3-1 VMC-15型加工中心的外形图 1—对刀仪 2—工作台(X,Y轴进给) 3—第四轴旋转头 4—刀库 5—防护装置 6—主轴箱(Z轴进给) 7—操作面板
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• 课程导引 • (1)主传动系统
如图3-2所示为VMC-15加工中心的主传动结构,其主 传动路线为:交流主电动机(150~7500r/min无级调 速)→1∶1多楔带传动→主轴。
数控机床结构与故障检修
Structure and maintenance of NC
第3章 数控机床主传动系统
The main drive system of NC
CONTENTS 目 录
一 数控机床的主轴系统 二 主轴及其部件结构 三 典型机床主轴结构
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如图所示VMC-15加工中 心,工作台行程X/Y/Z向 20in/16in/20in( 1inc=25.4mm)Fra Baidu bibliotek快进速 度400in/min,主轴转速 150—7500r/min,定位精 度±0.0002in,主电机功 率11.2KW。
的也仅是为进一步扩大变速范围。
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• 3.1 数控机床的主轴系统
• 3.1.1 对主传动系统的要求 (1)调速范围宽、并实现无级调速 各种不同的机床对 调速范围的要求不同,通用型范围大,专用机床小。 (2)热变形小 电动机、主轴及传动件都是热源。 (3)主轴的旋转精度和运动精度高 主轴的旋转精度是 指装配后,在无载荷、低速转动条件下测量主轴前端和距 离前端300mm处的径向圆跳动和端面跳动值。 (4)主轴的静刚度和抗振性较高 由于数控机床加工精 度较高,主轴的转速又很高,因此对主轴的静刚度和抗振 性要求较高。 (5)主轴组件的耐磨性好、噪声低 主轴组件必须有足 够的耐磨性,使之能够长期保持良好的精度。
• 3.1 数控机床的主轴系统
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• 4.调速电动机直接驱动主轴传动(无级变速)
结构简化,刚度提高,但主轴输出转速及转矩与主电 机的输出特性一致,电机发热对主轴精度有影响,使用上 受到一定限制。
图3-7 直接驱动式
• 3.1 数控机床的主轴系统
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• 5.电主轴(无级变速)
• (2)主轴内孔直径 主轴的内径用来通过棒料、通过刀具夹紧装置固定刀
具、传动气动或液压卡盘等。孔径越大,可通过的棒料直 径也越大,机床使用范围就越广,同时主轴重量减小。其 孔径大小取决于主轴刚度,≤0.3时空心实心相当,=0.5 时空心约为实心90%,>0.7时急剧下降,一般取0.5。
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• 3.2 主轴及其部件结构
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主轴的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理对 主轴组件的工作性能有很大影响。主轴结构随主轴系统设 计要求的不同而有各种形式。
图3-13 加工中心主轴
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• 3.2 主轴及其部件结构
• 1.主轴端部结构形式 主轴端部用于安装刀具或夹持工件的
• 3.1 数控机床的主轴系统
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• 3.1.2 主传动变速的方式

数控机床主运动调速范围很宽,其主轴的传动变速方
式主要有以下几种:
图3-4 数控机床主传动的四种配置方式 a)齿轮变速 b)带传动 c)两个电动机分别驱动 d)电主轴
• 1.带有变速齿轮的主轴传动(分段无级变速)
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图3-5 b)同步齿形带
图3-6 同步齿形带的结构和传动

如图3-6所示,带的工作面及带轮外圆上均制成齿形
,通过同步带上轮齿与带轮轮齿相嵌合,且由于同步带上
轮齿节距为定值实现两者间无滑动的啮合传动。
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• 3.1 数控机床的主轴系统
• 同步齿形带传动的优点: • 1)传动效率高,可达98%以上。 • 2)无滑动,传动比准确。 • 3)传动平稳,噪声小。 • 4)使用范围较广,速度可达50m/s,速比可达
触好,负载分布均匀,瞬时超载不易打滑,能满足主传动
高速、传递转矩大、不易打滑的要求,但在安装时要求有
较大的张紧力,增加了主轴和电机的径向负载。
图3-5 a)多楔带
• 3.1 数控机床的主轴系统
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同步齿形带综合了带传动和链传动(或齿轮传动)优
点,其带形有梯形齿和圆弧齿两种,如图3-5 b)所示。
• 洛氏硬度(Rockwellhardness),这是由洛克威尔(S.P.Rockwell)在1921年提出来的,是使用洛 氏硬度计所测定的金属材料的硬度值。该值没有单位,只用代号“HR”表示。
• 洛氏硬度中HRA、HRB、HRC中的A、B、C为三种不同的标准。称为标尺A、标尺B、标尺C。
• HRA是采用60Kg载荷和120°金刚石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料。例如:硬质合金。
• 硬度是材料抵抗外物刺入的一种能力。 试验钢铁硬度的最普通方法是用锉刀在工件边缘上锉擦,由 其表面所呈现的擦痕深浅以判定其硬度的高低。这种方法称为锉试法,这种方法不太科学。 用硬度 试验器来试验极为准确,是现代试验硬度常用的方法。 最常用的试验法有洛氏硬度试验。洛氏硬度 试验机利用金刚石冲入金属的深度来测定金属的硬度,冲入深度愈大,硬度愈小。
磨,且须保证配合过盈为1~5μm。 • 3)定位锥孔与轴承轴颈的同轴度要求为
3~5μm,与刀柄或车夹具定位圆锥面的接 触面积不小于80%,且大端接触较好。 • 4)装NN3000K(旧编号为3182100)型调心 圆柱滚子轴承的1∶12锥面,与轴承内圈接 触面积不小于85%。
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• 3.2 主轴及其部件结构 • 5.主轴部件的支承
基准,在设计上应能保证定位准确、安装 可靠、联接牢固、装卸方便,并能传递足 够的扭矩。主轴端部的结构形式都已标准 化,数控车床的主轴端部结构一般采用短 圆锥法兰盘式,定心精度高、刚性好,其 它类型机床的主轴端部结构如图3-14所示 。
• 3.2 主轴及其部件结构
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图3-14 几种机床上通用的结构形式
• HRB是采用100Kg载荷和直径1.59mm淬硬的钢球求得的硬度,用于硬度较低的材料。例如:退火 钢、 铸铁等。
• HRC是采用150Kg载荷和120°金刚石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料。例如:淬火钢 等
• 其测量方法是,在规定的外加载荷下,将钢球或金刚石压头垂直压入待试材料的表面,产生凹痕, 根据载荷解除后的凹痕深度,利用洛氏硬度计算公式HR=(K-H)/C便可以计算出洛氏硬度。洛氏 硬度值显示在硬度计的表盘上,可以直接读取。
• 简而言之,硬度越高,抗磨损能力越高,但脆性也越大。硬度最高不超过60HRC。 通常一把好刀 的刀刃硬度应在洛氏硬度50HRC以上,60HRC以下。
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• 3.2 主轴及其部件结构
• 4.主轴支承的主要精度指标 • 1)前支承轴承轴颈的同轴度公差约为5μm
左右。 • 2)轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配
a)各种钻床
b)铣、镗床
c)外圆磨床、平面磨床、无心磨床等砂轮主轴
d)内圆磨床砂轮主轴
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• 3.2 主轴及其部件结构
• 2.主轴的主要尺寸参数 • (1)主轴直径
主轴直径越大,其刚度越高,但增加直径使得轴承和 轴上其他零件的尺寸相应增大。轴承直径越大,同精度等 级的轴承公差值也越大,同时轴承极限转速下降,要保证 主轴的旋转精度就越困难。
• (5)自动吹屑 在换刀过程中,难免会有灰尘、 切屑等粘在刀柄的定位面及主轴的定位孔上,破 坏了刀具的正确定位,影响加工零件的精度。
• 3.1 数控机床的主轴系统
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数控机床主轴系统包括主电机、传动系统、主轴组件
,与普通机床相比结构较简单,因其变速功能全部或部分
由主电机的无级调速来实现,齿轮变速机构少或没有,有
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