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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：150～7500r/min；定位精度：+0.0002；主电动机功率11.2kW。[学习导引示例]图3-1VMC一15型加工中心的外形图(1)主传动系统图3-2所示为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3-33.1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3-81)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、计算转速、计算转速转矩和刀具接口等。2)电主轴的结构特点①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)。②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。③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①混合陶瓷球轴承②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。其套筒直径从32mm至320mm，转速从10000r／min到240000r／min，功率从0.5kW到80kW，转矩从0.1N·m到200N·m。（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5μm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1～5μm。2.主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①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1～5μm的过盈配合；轴承与孔的配合，则采用0～5μm的间隙配合。①轴承内圈移动图3-18滚动轴承的预紧②修磨座圈或隔套如图3-19(a)所示为轴承外围宽边相对(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3-21THK6380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轴承上上最常用的润滑方式。2)油液循环润滑有GAMET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0.5～1.0mm4)油气润滑方式高速主轴的新型润滑方式。它是用极微量油(8～16min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。3【实例3-3】典型的润滑方式•突入滚道式润滑方式内径为100mm的轴承以2000r／min速度旋转时，线速度为100m／s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，其可以通过中间轴上的齿轮1﹕1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①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，磨损后修复调整困难，现已很少采用。②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。③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①主轴箱移动式：工艺适应性增强，接近工件性能差②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10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)磁传感器主轴准停控制（2)编码器主轴准停控制（3)数控系统主轴准停控制●机床主轴部件装配调整时应注意4点●对于主轴部件的调整，重点要注意7个部位【实例2-3】THK6380加工中心主轴部件的拆卸与调整(参考图3-24)●拆卸与调整18个步骤3.5主轴部件的装配及调整3.6主轴部件的维护1．防泄漏在密封件中，被密封的介质往往是以穿漏、渗透或扩散的形式越界泄漏到密封连接处的彼侧。主轴的密封有接触式和非接触式密封。图3-45非接触式密封图3-46接触式密封1一端盖2一螺母1一甩油环2一油毡圈3一耐油橡胶密封圈2.主传动链的维护主要有：主传动链出现不正常现象时，应立即停机排除故障。操作者应注意观察主轴