数控机床主传动及主轴部件

第二节数控机床主传动系统及主轴部件第三节数控机床的进给系统第四节数控机床回转工作台第五节数控加工使用的刀具及自动换刀系统第六节数控加工用辅助装置第五章数控机床的结构第一节数控机床的结构要求一、数控机床主运动的特点二、数控机床主轴的变速方式三、主轴部件第二节数控机床主传动系统及主轴部件数控机床与普通机床比较具有以下特点：1）转速高，功率大，它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。2）主轴转数的变换迅速可靠，并能自动无级变速，使切削工作始终在最佳状态下进行。3）为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具自动装卸、主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。一、数控机床主传动的特点数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的再求。故大多数数控机床采用无级变速系统，数控机床主传动系统主要有以下三种配置方式。数控机床的主传动要求较大的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。二、数控机床主轴的变速方式这种配置方式大、中型数控机床采用较多。它通过少数几对齿轮降速，使之成为分段无级变速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。但有一部分小型数控机床也采用这种传动方式，以获得强力切削时所需要的扭矩。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。（一）带有变速齿轮的主传动（如图）主要应用在小型数控机床上，可以避免齿轮传动时引起的振动和噪声，但它只能适用于低扭矩特性要求的主轴。（二）通过带传动的主传动（如图）同步带的结构和传动如图所示。带的工作面及带轮外圆上均制成齿形，通过带轮与轮齿相嵌合，作无滑动的啮合传动。带内采用了承载后无弹性伸长的材料作强力层，以保持带的节距不变，使主、从动带轮可作无相对滑动的同步传动。同步带传动是一种综合了带、链传动优点的新型传动。这种主传动方式大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出扭矩小，电动机发热对主轴的精度影响较大。（三）由调速电动机直接驱动的主传动（如图）从直流主轴电动机的速度与转矩关系图中可以看出，在低于额定转速时为恒转矩输出，高于额定转矩时为恒功率输出。使用这种电动机可实现纯电气定向，而且主轴的控制功能可以很容易与数控系统相连接并实现修调输入、速度和负载测量输出等。机床的主轴部件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度，抗振性和热变形对加工质量有直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。三、主轴部件主轴在结构上要处理好卡盘或刀具的装卡，主轴的卸荷，主轴轴承的定位和间隙调整，主轴部件的润滑和密封等一系列问题。对于数控镗铣床的主轴为实现刀具的快速或自动装卸，主轴上还必须设计有刀具的自动装卸，主轴定向停止和主轴孔内的切屑清除装置。l）前支承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承（如图）这种配置形式使主轴的综合刚度得到大幅度提高，可以满足强力切削的要求，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。(一）数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式2）前轴承采用高精度双列向心推力球轴承（如图）。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4000r／min，但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、低速于重载的数控机床主轴。3）双列圆锥滚子轴承和圆锥滚子轴承（如图）为了将主轴准确地停在某一固定位置上，以便在该处进行换刀等动作，这就要求主轴定向控制。在加工精密的坐标孔时，由于每次都能在主轴的固定圆周位置换刀，故能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而减少被加工孔的尺寸分散度，这是主轴定向准停装置带来的好处之一。（二）主轴的定向停止在自动换刀的数控机床上，每次自动装卸刀时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴的端面键，这就要求主轴具有准确定位的功能。传统的做法是采用机械挡块等来定向。而现代的数控机床一般都采用电气式主轴定向，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确的定向。，当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴箱自动改变传动路线，使主轴换到最低转速运转。在时间继电器延时数秒后，开始接通无触点开关。主轴的准停装置设置在主轴的尾端（如图）。交流调速电动机11通过多联三角带9和皮带轮10带动主轴旋转，在凸轮上的感应片对准无触点开关时，发出准停信号，立即切断主轴电动机电源，脱开与主轴的传动联系，以排除传动系统中大部分回转零件的惯性对主轴准停的影响，使主轴作低速惯性空转。位于图中带轮5左侧的永久磁铁4对准磁传感器3时，主轴准确停止，同时限位开关发出信号，表示已完成。电气式主轴定向控制的特点是：不需要机械部件，定向时间短可靠性高，只需要简单的强电顺序控制，精度和刚度高。在自动换刀的数控机床中为了实现刀具在主轴内的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构，如图所示。（三）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置刀杆采用7：24的大锥度锥柄，采用大锥度的锥柄既有利于定心，也为松夹带来了方便。在锥柄的尾端轴颈被拉紧的同时，通过锥柄的定心和摩擦作用将刀杆夹紧于主轴的端部。在蝶形弹簧8的作用下，拉杆7始终保持约10000N的拉力；并通过拉杆右端的钢球6将刀杆的尾部轴颈拉紧。换刀时首先将压力油通入主轴尾部的液压缸左腔，活塞1推动拉杆7向有移动，将刀柄松开，同时使蝶形弹簧8压紧。拉杆7的右移使右端的钢球6位于套筒的喇叭口处，消除了刀杆上的拉力。当拉杆继续右移时，喷气嘴的端部把刀具顶松，使机械手方便地取出刀杆。机械手将应换刀具装入后，电磁换向阀动作使压力油通入油缸右腔，活塞1向左退回原位，蝶形弹簧复原又将刀杆拉紧、螺旋弹簧2使活塞1在液压缸右腔无压力油时也始终退在最左端。当活塞处于左右两个极限位置时，相应限位开关12、13发出松开和夹紧的信号。自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程中的一个不容忽视的问题。如果主轴锥孔中落入了切屑、灰尘或其它污物，在拉紧刀杆时，锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏了刀杆的正确定位，影响零件的加工精度，甚至会使零件超差报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常采用的方法是使用压缩空气吹屑。如图所示活塞1的心部钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经过活塞由主轴孔内的空气嘴喷出，将锥孔清理干净。为了提高吹屑效率，喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀布置。