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1、第3章,数控机床的主传动系统,学习目的与要求,了解数控机床对主传动系统的要求 理解主传动变速的方式 掌握电主轴电主轴的基本参数、结构特点及其应用 掌握数控机床主轴部件结构、尺寸参数和轴承的配置 了解数控机床主轴部件的润滑与密封、主轴的准停特点 掌握数控机床主轴部件的维护 理解主传动系统故障及排除方法,VMC-15加工中心的主传动系统及典型结构,图3-1VMC-15加工中心，工作台行程X/Y/Z：20/16/20；主轴转速：1507500r/ min；定位精度：+ 0.0002；主电动机功率 11.2 kW。,学习导引示例,图3-1 VMC一15型加工中心的外形图,(1) 主传动系统 图3-2所
2、示为VMC-15 加工中心的主传动结构 (2) 刀具的自动 夹紧与放松 图3-3为主轴4上刀柄夹 紧与放松示意图。以碟 形弹簧的弹性力拉紧， 气缸的气压力松开。 图3-2 图3-3,3.1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 (2) 热变形小 电动机、主轴及传动件都是热源。低温升、小的热变形是对主传动系统要求的重要指标。 (3) 主轴的旋转精度和运动精度高 (4) 主轴的静刚度和抗振性较高 (5) 主轴组件的耐磨性好、噪声低,3.1.2 主传动变速的方式,1带有变速齿轮的主轴传动（齿轮变速、滑移齿轮的换挡 等） 2通过带传动的主轴传动（复合三
3、角带 、多楔带 、同步齿形带传动） 3用两个电机分别驱动主轴传动 4调速电机直接驱动主轴传动,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)两个电机分别驱动 (d)调速电机直接驱动,运作,5电主轴,（1）电主轴概述 电主轴是由内装式电动机直接驱动的一套组件，它包括电主轴本身及其附件：高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等，其外形如图3-8所示。其主轴部件结构紧凑，重量轻，可提高启动、停止的响应特性，有利于控制振动和噪声，但制造和维护困难且成本较高。,图3-8,1)电主轴的基本参数 电主轴的基本参数和主要规格包括：套简直径、最高转速、输出功率、计
4、算转速、计算转速转矩和刀具接口等。 2)电主轴的结构特点 机械结构最为简单，转动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加(减)速度和定角度的快速准停(C轴控制)。 通过采用交流变频调速或磁场矢量控制的交流主轴驱动装置，输出功率大，调速范围宽，并有比较理想的转矩一功率特性。 可以实现电主轴部件的模块化、标准化和系列化生产。,（2）电主轴的基本参数与结构特点,1）电主轴常用的轴承 混合陶瓷球轴承 磁悬浮轴承 2）电主轴常用的轴承配置形式 图3-11a 仅适用负荷较小的磨削用电主轴，f的后轴承为陶瓷园柱混合轴承,(3) 电主轴常用的轴承及其配置形式,图3-11 电主轴常用的轴承配置形式 a)前
5、后端单列角接触球轴承支撑 b)前端两列组合，后端单列角接触球轴承支撑 c)前后两端都为双列角接触球轴承组合 d)前端三列组合支撑，后端单列角接触球轴承支撑 e)前端三列组合支撑，后端双列组合角接触球轴承支撑 f)前端两列角接触球轴承组合，后端单列滚柱轴承支撑,1) 精度和静刚度,2) 临界转速 3) 残余动不平衡值及验收振动速度值 4) 噪声与套筒温升值 5) 拉紧刀具的拉力值和松开刀具所需液(气)压力 的最小和最大值 6) 使用寿命值 (5) 电主轴应用场合 电主轴产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离心、高速旋碾、高速试验等领域。其套筒直
6、径从32 m m至320 m m，转速从1 0000rmin到240000rmin，功率从0.5 k W到80k W，转矩从0.1 Nm到200Nm。,（4）电主轴的性能参数,3.2 主轴部件结构,数控机床的主轴部件主要有以下几个部分：主轴本体及密封装置、支承主轴的轴承、配置在主轴内部的刀具的自动夹紧装置及吹屑装置、主轴的准停装置等。,3.2.1 主轴本体,主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。 3.2.2 主轴部件 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夹具，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
7、递足够的扭矩。,图3-14 几种机床上通用的结构形式,图3-14 几种机床上通用的结构形式,(1) 主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，尺寸相应增大，同等级精度轴承的公差值也越大。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。 (2) 主轴内孔直径 主轴孔径越大，可通过的棒料直径也越大，机床的使用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。 3主轴的材料和热处理 常采用的有：45钢、38CrMoAl、GCrl5、9Mn2V，须经渗氮和感应淬火。 4主轴主要精度指标 (1) 前支承轴承轴颈的同轴度约5m左右。 (2) 轴承轴颈需按轴承内孔“实际尺寸”配磨，且须保证配合过盈15m。,2. 主
8、轴的主要尺寸参数,机床主轴带着刀具或夹具在支承中进行回转运动，应能传递切削转矩承受切削抗力，这时机床主轴多采用滚动轴承、动压或静压滑动轴承作为支承。 （1）主轴轴承的类型,5主轴部件的支承,1)滚动轴承特点 及应用 图3-15 (a) 锥孔双列圆柱滚子轴承 (b) 双列推力角接触球轴承(c) 双列圆锥滚子轴承 (d) 带凸肩的双列圆柱滚子轴承 (e)所示为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承特点 及应用,图3-15 主轴常用的滚动轴承,【 实例3-1 】数控车床主轴支承结构,图3-16 数控车床主轴支承结构,如图3-16所示为数控车床主轴支承结构，前支承采用双列短圆柱滚子轴承承受径向载荷和60角接触双列向
9、心推力球轴承承受轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于中等转速，主轴刚性高，能承受较大的切削负载。,(1) 主轴滚动轴承的配置 主轴轴承的结构配置：数控机床主轴轴承常见的配置有下列3种形式，如图3-17所示 图3-17 数控机床主轴支承的配置形式,（2）滚动轴承间隙与预紧,不同精度等级、不同的轴承类型和不同的工作条件的主轴 部件，其轴承所需的预紧量有所不同。如在加工中心上，角接触 球轴承在主轴上安装时，轴承与主轴的配合，一般采用15m 的过盈配合；轴承与孔的配合，则采用05m的间隙配合。, 轴承内圈移动,图3-18 滚动轴承的预紧, 修磨座圈或隔套,如图3-19(a)所示为轴承外围宽边
10、相对(背对背)安装 如图3-19 (b)所示为外围窄边相对(面对面)安装,图3-19 修磨轴承座圈 图3-20 隔套的应用,（3）主轴内切屑清除装置,【 实例3-2 】THM6350型精密卧式加工中心主轴轴承配置,如图3-21所示为THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统图，该机床采用双速电机和六个电磁离合器完成18级变速。,图3-21 THK6380型自动换刀数控铣镗床的主传动系统,5主轴部件的润滑与密封,良好的润滑效果可以降低轴承的工作温度和延长使用寿命。密封不仅要防止灰尘屑末和切削液进人，还要防止润滑油的泄漏。,(1) 主轴轴承润滑方式 1) 油脂润滑方式 目前在数控机床的前支承
11、轴承上上最常用的润滑方式。 2) 油液循环润滑 有G A MET轴承的主轴， 后支承上采用这种润滑方式。图3-23 恒温冷却 主轴箱。 3) 油雾润滑方式 油雾润滑方式是将油液 经高压气体雾化后从喷嘴成雾状喷 到需润 滑的部位的润滑方式。 图3-23 恒温冷却主轴箱,图3-24 油气润滑 图3-25 角接触轴承油液润滑,0.51.0mm,4) 油气润滑方式 高速主轴的新型润滑方式。它是用极微量油 (81 6min约0.03cm油)润滑轴承，以抑制轴承发热。在用油液润滑角接触轴承，要注意角接触轴承有泵油效应，必须使油液从小口进入，如图3-25所示。,【 实例3-3 】典型的润滑方式, 突入滚道式
12、润滑方式 内径为1 00 mm的轴承以2000 rmi n速度旋转时，线速度为1 00 ms以下，如图3-26所示为适应该要求而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸人滚道。若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。 图3-26 突人滚道润滑用特种轴承,3. 3 典型机床主轴的结构,3.3.1 数控车床的主轴部件,1卡盘,为减少数控车床装夹工件的辅助时间，广泛采用液压或气动动力自定心卡盘。图3-28所示为数控车床上采用的一种液压驱动动力自定心卡盘 .,2主轴编码器 数控车床主轴编码器采用与主轴同步的光电脉冲发生器，
13、其可以通过中间轴上的齿轮11地同步传动，也可以通过弹性联轴器与主轴同轴安装。,图3-29 编码器 图3-30 常用弹性联轴器,图3-28 液压驱动动力自定心夹盘,【 实例3-4 】TND360数控车床主轴部件,如图3-32所示为TND360数控车床主轴部件，其主轴为空心主轴，内孔用于通过长的棒料，直径可达60mm, 也可用于通过气动、液压夹紧装置(动力夹盘)。主轴前端的短圆锥面及其端面用于安装卡盘或拨盘。主轴前后支承都采用角接触球轴承。,图3-32 主轴组件,1主轴箱,3.3.2自动换刀数控铣床的主轴部件,(1) 滑枕式,圆形滑枕。制造工艺简便，断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装附件，磨损
14、后修复调整困难，现已很少采用。 矩形或方形滑枕。有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做得较好，端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。国内、外以长方形滑枕采用较多。 棱形、八角形滑枕。棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。,(2) 主轴箱移动式,主轴箱移动式：工艺适应性增强，接近工件性能差,滑枕主轴箱移动式：具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造 方便等优点 。,图3-37为THK6380加工 中心主轴部件结构图。其结构如下： 刀具自动夹紧装置 刀夹1内孔用来安装刀具，刀夹1的夹紧与 松开动作由弹簧夹头2和轴向拉紧机构控制。 弹簧夹头2与拉套10螺纹联接，拉套10左端 螺纹部分开
15、有轴向槽，其内孔为锥孔，锁紧 件8旋入拉套10左端内螺纹孔内，在锁紧件 8外锥体作用下，使拉套10开有轴向槽的 螺纹部分与弹簧夹头2上的螺纹联接撑死 而紧住。,【 实例3-5 】THK6380加工 中心主轴部件结构,主轴11后端有碟形弹簧18，在弹簧力作用下，拉套1 0向右拉紧弹簧夹头2，将刀夹1紧紧夹住。为使刀夹1在主轴孔内准确定位，固定在主轴11上的小轴6上有一定位螺钉5，其端面即是刀夹l的轴向定位面。装在拉杆9右端的碟形弹簧20使拉杆9经常承受向右的弹簧力作用，固定在拉杆9左端定位套筒7内的钢球4就将刀夹1右端轴颈夹持向右拉动，直至刀夹l右端面紧靠在定位螺钉5的定位端面上。,3.4主轴的
16、准停,主轴的准停功能又称为主轴定位功能，即当主轴停止时，控制其停于固定位置，这是自动换刀所必需的功能。主轴准停换刀如图3-38所示。当加工阶梯孔或精镗孔后退刀时，为防止刀具与小阶梯孔碰撞或拉毛已精加工的孔表面，必须先让刀，再退刀，因此，刀具就必须具有定位功能。主轴准停阶梯孔或精镗孔如图3-39所示。,图3-38 图3-39,主轴准停功能分为机械准停和电气准停。 1机械准停控制 机械机械准停控制采用机械凸轮等机构和光电盘方式进行初定位，然后由一个定位销(由液动或气动)插入主轴上的销孔或销槽来完成精定位，换刀后定位销退出，主轴才可旋转。 2电气准停控制 优点： 1)简化机械结构。2)缩短准停时间。 3)可靠性增加（无需复杂的机械、开关和液压缸等装置）。 4)性能价格比提高。目前电气准停通常有以下三种方式。1) 磁传
