第三章数控机床主传动系统

数控机床机械结构第三章数控机床主传动系统第一节数控机床主传动系统的基本要求具有更大的调速范围和功率，并实现无级调速，一般Rn100。以便对加工材料选择合理切削用量，以获得最高生产率、加工精度和表面质量。具有更高的精度与刚度，传动平稳，噪音低。数控机床的加工精度与主传动系统精度密切相关。具有良好的抗振性与热稳定性，固有频率高，动平衡，循环冷却润滑。数控机床较普通机床具有更高的转速，加工中由于断续切削，余量不匀，运动件不平衡及切削过程中的自激振动等更易引起冲击或交变力干扰，产生主轴振动，影响加工精度和表面质量。高转速产生的高热量引起零部件热变形，降低精度和传动效率。功率转矩特性主轴功率转矩特性电机功率转矩特性额定转速计算转速数控车床主传动系统示例第二节主传动变速方式齿轮变速主传动系统齿轮降速增扭矩满足强力切削要求，大中型数控机床及部分小型数控机床（经济型）适用。速度较底。直接皮带主传动系统避免了齿轮传动引起的振动与噪音，中小型数控机床适用。速度较高。直联电机传动或电主轴系统结构简单，重量轻，惯量小，启停响应快，振动噪音小，主轴部件刚度高，速度高。扭矩小，电机发热对主轴热变形影响大。带变速齿轮主传动第三节主轴支撑形式与轴承选型一、前支承采用双列圆柱滚子轴承＋双列60º角接触球轴承。后支承采用成对角接触球轴承。特点：综合刚度高，满足强烈切削要求，但转速较低。应用：各类数控机床主轴。二、全部采用高精度角接触球轴承。特点：刚度相对较低，为了提高承载力，增加前轴承数量，并配套予紧。转速高。应用：高速高精度轻型数控机床主轴。三、采用双列和单列圆锥滚子轴承。特点：刚度高，能承受重载尤其是较强动载荷的作用，安装调整方便，但转速和精度较低。应用：中等精度低速重载数控机床主轴。主轴轴承配置形式三种常用形式第四节典型主轴分析介绍TND360数控车床主轴CK7815数控车床主轴CK7815数控车床主轴EX-122车削中心主轴XH754加工中心主轴部件主轴准停电控主轴准停装置机械控制主轴准停装置JCS-018镗铣加工中心主轴部件直联主轴动力卡盘主轴轴承轴向卸荷结构第五节动力与高速卡盘动力卡盘与驱动油缸直联主轴动力卡盘动力卡盘高速切削卡盘液压尾架第六节先进主轴技术一、电主轴概念将主轴电机与机床主轴合二为一，从而使主轴部件从机床传动系统和整体结构中独立出来，制成模块化、系列化的主轴单元功能部件，即电主轴—ElectrospindleorMotorSpindle、MotorizedSpindle目前电主轴产品主要采用交流高频电机，固也称高频主轴—HighFrequcncySpindle电主轴没有中间传动环节，也称为直接传动主轴——DirectDriveSpindle电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高，功率大，且还有一系列控制主轴温升和振动等机床运行参数的功能，以确保高速运转的可靠性与安全。因此电主轴是一个完整的系统。电主轴系统二、电主轴特点由于采用电机内置，省去了皮带、齿轮等传动件，避免了高速运转条件下的振动和噪音等问题，从而提高高速加工精度和表面质量，降低环境污染。由于没有中间传动环节，将主轴系统传动惯量降至最小，从而可以实现主轴回转的高角加、减速度，在最短时间内实现高转速的速度变化，提高高速加工生产率。电机内置于主轴两支承间，可以较大的提高主轴系统刚度，也提高系统固有频率，从而提高其临界转速，确保高速运转的安全。由于没有中间传动环节的外力作用，主轴高速运行没有冲击而更加平稳，主轴轴承寿命延长。三、电主轴基本参数与性能水平套筒直径32——320转速10000——150000r/min功率0.5——80kW转矩0.1——800N.m噪声70——75dB使用寿命5000——10000h四、电主轴供应德国GMNCYTEC瑞士FISCHERIBAGSTEP-TEC意大利GAMFIORFAEMAT中国洛阳轴承研究所五、电主轴及其类型•滚动轴承电主轴：价格低廉，使用维护方便•静压轴承电主轴：结构紧凑，动静态刚度高，价高，使用维护复杂。•磁浮轴承电主轴：转速高，功率大可自平衡，无振动，无需润滑维护，寿命无限，刚度较高，便于测力和过程监控六电主轴典型结构联接装置滚珠套冷却水套矢量控制位移传感器HSK刀具接口陶磁珠混合轴承六电主轴典型结构七、电主轴轴承配置与预加载荷1.轴承型式：精密角接触球轴承(密珠)，适应高速同时承受径向和轴向负荷作用。2.预加载荷的目的功用消除轴承轴向游隙，提高轴承刚度和主轴旋转精度。抑制振动和钢球自转打滑。预加载荷越大，提高刚度和主轴旋转精度效果越好，但过大导致温升越高，可能造成烧伤而降低使用寿命，甚至不能正常工作。电主轴轴承配置与预加载荷前轴承后轴承前轴承后轴承3.预加载荷的方法刚性预加载荷：利用内外隔圈或轴承内外环的宽度尺寸差施加预加载荷。方法简单，但轴系零件热变形将引起预加载荷的变化。适合于转速不太高，变速范围较小的电主轴。弹性预加载荷：采用弹性装置，即用适当的弹簧进行预加载荷，使预加载荷少受温度和速度的影响。适合于转速较高，变速范围较大的情况。可调整预加载荷：在最高转速时预加载荷由弹簧确定，其它不同转速时，通以相应的控制油压或气压加大预加载荷，使其与转速实现最佳匹配。适合于高性能高寿命电主轴。可调整预加载荷装置原理滚珠离心力对比离心力与轴向位移4.陶磁球混合轴承☞钢质内外环配氮化硅(Si3N4)陶磁球组成的角接触球轴承称混合陶磁轴承(HybridCeramicBearing)，简称混合轴承(HybridBearing)或陶磁球轴承。☞陶磁球的优点质量轻。材料密度3.218g/cm3，高速回转离心力显著减小，接触应力减小，摩擦功耗下降，温升降低，寿命提高。离心力小，引起的轴向位移减小，预加载荷变化小，适应高转速要求。弹性模量高。E值为钢的1.5倍，可提高轴承和主轴系统刚度，也提高主轴系统临界转速。线膨胀系数低。Α值约为钢的1/4，不同温升条件下配合间隙或预加载荷变化小，可靠性高。硬度高。约为钢的2.3倍，磨损减少，寿命提高。陶磁球与钢环亲和力低，不产生“咬合”，磨损物也不会嵌入陶磁球，寿命进一步提高。☞陶磁球轴承在高速重载条件下仍然能获得高刚度、低温升、长寿命的效果。☞陶磁球轴承价格为钢质球轴承的2～2.5倍，而寿命为3～6倍。5.磁悬浮轴承☞工作原理：依靠多副在圆周上互为180º分布的电磁铁产生径向相反的吸或斥力，将主轴悬浮在空气中，轴径与轴承间有较大的间隙。当在载荷作用下主轴空间位置发生变化，位置传感器将测量值通过电子自动控制与反馈装置改变相应磁极的作用力，从而使主轴迅速恢复到原来位置。磁悬浮轴承原理图相对180º的电磁铁已略去磁悬浮轴承电主轴结构☞无磨损，不需润滑，寿命长，温升低，回转精度极高，刚度可设定，价格高。八电主轴轴承润滑1.润滑方式油脂润滑：一次性永久润滑，无附加装置，免特别维护，温升较高，最高转速受限。油—气润滑：采用专用装置，利用分配阀对所需润滑的不同部位按实际需要，定时定量供给油气混合物，保证轴承各部位既不缺润滑，又不会因润滑过量而造成更大温升，同时将油雾污染降至最低程度。2.轴承类型与润滑方式组合混合轴承配油—气润滑，转速高钢轴承配油—气润滑，转速较高混合轴承配油脂润滑，转速较高电主轴油气润滑系统电主轴轴承润滑与密封•FISCHER公司直接润滑系统(DLS)将油－气直接从径向送达接触应力最高处，作为选件供给对电主轴要求极高的用户IBAG公司滚动轴承电主轴九典型电主轴IBAG公司静压轴承电主轴IBAG公司磁浮轴承电主轴双电机电主轴小电机：高速小转矩大电机：低速大转矩减小外形尺寸改善功率转速特性电主轴性能特点采用矢量控制技术满足低速恒转矩、高速恒功率要求。基速——额定转速，恒转矩与恒功率交汇点转速。临界转速：主轴系统（包括刀具）产生系统最低一阶共振的时的转速S1：100％运转时间内负载连续不变S6：每2min周期内60％时间负载40％时间空载PEAK：瞬时过载十、电主轴选用1.依据指标：最高转速，额定功率，转矩及其与转速的关系。2.主要事项☞从实际出发，忌贪高(高速)求大(大功率)，造成浪费，后续维护费事。☞根据实际可行的切削规范，多计算，少“拍脑袋”☞多与供应商的销售服务专家探讨，并交“实底”，听取他们的有益建议。☞注意正确选择轴承类型与润滑方式，在满足需求前提下，尽可能选用陶磁混合轴承与永久性油脂润滑组合，以省去润滑部件并简化维护。