数控机床主轴结构与调整

加工中心主轴刀柄
刀柄拉钉
电主轴功能及结构
数控机床为了实现高速、高效、高精度的加工 ，要采用特定的主轴功能部件．并且要具有大功率、宽调速 范围的特性。最适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定 子、转子直接装人主轴单元内部（称之为电主轴），通过交 流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。电主 轴结构紧凑、速度快、转动效率高，取消了传动带、带轮和 齿轮等环节，实现“零传动”，大大减少了主传动的转动惯 量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴 高速运转时传动带和带轮等传动件的振动和噪声问题。 以往电主轴主要用于轴承行业的高速内圆磨削 ，随着数控技术和变频技术的发展，电主轴在数控机床中的 应用越来越广泛，不仅在高速切削机床上得到广泛应用，也 应用于对工件加工有高效率、高表面质量要求的场合以及小 孔的加工。 一般主轴转速越高，，加工的表面质量越好 ，尤其是对于直径为零点几毫米的小孔，采用高转速的主 轴有利于提高内孔加工质量。
6.
自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自 动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；高速刀具的装卡方 式：广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速 加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。
7.
高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转 的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电 动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。
2.采用同步齿形带传动
3 .用两个电动机分别驱动主轴
这是上述两种方式的混合传动，具有上述两种性能(见图4-16c)。 高速时，由一个电动机通过带传动；低速时，由另一个电动机通过 齿轮传动，齿轮起到降速和扩大变速范围的作用，这样就使恒功率 区增大，扩大了变速范围，避免了低速时转矩不够且电动机功率不 能充分利用的问题。但两个电动机不能同时工作，也是一种浪费。
如图4-17b所示的配置前支承采用多个高精度向心推力球 轴承，后支承采用球轴承，没有如图4-17a所示的主轴刚度大， 但这种配置提高了主轴的转速，适合主轴要求在较高转速下工 作的数控机床。
目前，这种配置形式在立式、卧式加工中心机床上得到广 泛应用，满足了这类机床转速范围大、最高转速高的要求。为 提高这种形式配置的主轴刚度，前支承可以用四个或更多个的 轴承相组配，后支承用两个轴承相组配。
行程开关 液压缸 液压缸
压缩空气管 接头 行程开关 弹簧
碟形弹簧
拉杆
钢球
主轴 拉钉
端面键
刀柄
2、 加 工 中 心 主 轴 部 件 的 结 构 与 功 能
同步带轮
主电机
同步带
同步带轮
主轴
加工中心主轴组件
加工中心主轴部件的结构如图所示，主轴前端有7：24的锥孔，用于 装 夹锥柄刀具。端面键13既作刀具定位用，又可通过它传递转矩。为了实 现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。从图中可以看出， 该机床是由拉紧机构拉紧锥柄刀夹尾端的轴颈来实现刀夹的定位及夹紧 的。 1、夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推活塞6上移，处于图 示位置，拉杆4在碟形弹簧5的作用下向上移动。 2、装在拉杆前端径向孔中的4个钢球12进人主轴孔中直径较小的d2处被 迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆拉杆拉紧，依靠摩擦 力紧固在主轴上。 3、换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4 向下移动，碟形弹簧被压缩； 4、当钢球12随拉杆一起下移至进人主轴孔中直径较大的d1，处时，它 就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面碰到拉钉， 把刀夹顶松，此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。 5、压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹人主轴装刀孔内，把 切屑或脏物清除干净，以保证刀具的装夹精度。机械手把新刀装上主轴 后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8 发出信号。
卧式加工中心主轴前支承处采用 的双层小间隙密封装置。主轴前 端车出两组锯齿形护油槽，在法 兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当 喷人轴承2内的油液流出后被法盘 4内壁挡住，并经其下部的泄油槽 9和套筒3上的回油斜孔8流回箱， 少量油液沿主轴6流出时，主轴护 油槽在离心力的作用下被甩至法 兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8重 新流回油箱，达到了防止润滑介 质泄漏的目的。
4.
5.
内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹， 电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进 给的配合。
车床用电主轴
铣床用电主轴
内装电动机主轴
3、主轴的驱动方式
1.采用变速齿轮传动
这是大中型数控机床较常采用的配置方式，通过少数几对齿轮传动 ，扩大变速范围。滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压 缸带动齿轮来实现。 这种传动主要用在转速较高、变速范围不大的机床。它适用于高速 低转矩特性的主轴。
主轴本身及其附件
1. 电主轴所融合的技术：高速轴承技术：电主轴通常采 用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有 时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论 上寿命无限：
2.
高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的 产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把 电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平 衡；
数控机床主轴结构及调整
——主轴传动系统
一、数控车床主轴部件的结构与调整
• （1)主轴部件结构
CK7815型数控车床主轴部件结构如图所示，该主 轴工作转速范围为15-5 000 r/min。主轴9前端采用三个 角接触轴承12，通过前支承套14支套，由螺母11预紧。 后端采用圆柱滚子轴承15支承径向间隙由螺母3和螺母7 调整。螺母8和螺母10分别用来锁紧螺母7和螺母11，防 止螺母7和11的回松。带轮2直接安装在主轴9上（不卸荷 ）。同步带轮1安装在主轴9后端支承与带轮之间，通过 同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上的另一同步带轮相 连，带动主轴脉冲发生器4和主轴同步运动。在主轴前端 ，安装有液压卡盘或其他夹具。
3.
润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可 以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每 隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定 量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑， 指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量 控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋 转时会因油的阻力而发热。 冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对 电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却 剂的温度。
内装电动机主轴
1、主轴端部的结构形状
主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定 位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴 端部的结构形状都已标准化。
(a)车床主轴端部；(b)铣、镗类机床主轴端部；(c)外圆磨床砂轮主轴端部； (d)内圆磨床砂轮主轴端部；(e)普通镗杆装在钻床主轴上的端部；(f)组合机床主轴端部
保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热 ，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用的 是循环润滑系统。 有两种方式： 1）油气润滑方式 定时定量的把油雾送进轴承空 隙中 2）喷注润滑方式 用较大流量的恒温油喷注到 主轴轴承上，达到润滑、冷却的目的。
（2）防泄漏
图中(a)是利用轴承盖与轴的间隙密 封，轴承盖的孔内开槽是为了提高 密封效果，这种密封用在工作环境 比较清洁的油脂润滑处； 图中(b)是在螺母2的外圆上开锯齿 形环槽，当油向外流时，靠主轴转 动的离心力把油沿斜面甩到端盖1的 空腔内，油液流回箱内； 图中(c)是迷宫式密封结构，在切屑 多，灰尘大的工作环境下可获得可 靠的密封效果，这种结构适用油脂 或油液润滑的密封。非接触式的油 液密封时，为了防漏，重要的是保 证回油能尽快排掉，要保证回油孔 的畅通。
4.采用主轴电机直接驱动（一体化主轴，电主轴） 主轴与电机转子合二为一，从而使主轴部件结构更加紧凑 ，重量轻，惯量小，有效地提高了主轴部件的刚度，提高了主 轴启动、停止的响应特性，目前高速加工机床主轴多采用这种 方式，这种类型的主轴也称为电主轴。
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)内装电动机主轴传动结构
如图4-17c所示的配置形式，前支承采用双列圆锥滚子 轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。能使主轴承受较重载荷(尤 其是承受较强的动载荷)，径向和轴向刚度高，安装和调整性好 。但这种配置相对限制了主轴最高转速和精度，适用于中等精 度、低速与重载的数控机床主轴。
4、数控机床主轴维护特点
（1）、主轴润滑
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CK7815型数控车床主轴部件结构图
数控车床主轴组件
角接触球轴承可以同时承受径向
载荷和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷 ，其轴向载荷能力由接触角仅（载荷作用 线与轴承径向平面之间的夹角）决定，接 触角越大，承受轴向载荷的能力也越大。 角接触球轴承的装球数量比深沟球轴承多 ，因而载荷容量在球轴承中最大，刚性也 大，且可预凋，工艺性好，公差等级是球 轴承中最高的类型之一，尤其适用于的场 合。 此类轴承适用于支承间距不大，双支承 轴上，如机床主轴，尤其是磨床砂轮轴， 内燃机液力变速箱、蜗杆减速器、电钻、 离心机和增压器等。
2、主轴部件的支承
机床主轴带着刀具或夹具在支承中作回转运动，应能传 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为支承，对于精度要求高的主轴则采用 动压或静压滑动轴承作为支承。下面着重介绍主轴部件所用 的滚动轴承。 主轴滚动轴承的配置：
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，后支承采用 成对向心推力球轴承。能使主轴获得较大 的径向和轴向刚度，可以满足机床强力切 削的要求，普遍应用于各类数控机床的主 轴，如数控车床、数控铣床、加工中心等 。这种配置的后支承也可用圆柱滚子轴承 ，进一步提高后支承径向刚度。