第七章 数控机床机械结构

数控机床维修创新型应用人才培养系列教材现代数控机床故障诊断与维修2019/8/161第七章数控机床机械结构的维修与调整天津工程师范学院数控机床维修创新型应用人才培养系列教材现代数控机床故障诊断与维修•教学提示：数控机床由于采用了电气自动控制，其机械结构大为简化，数控机床加工高精度合格产品，不仅取决于电气控制的可靠性，还取决于机械结构的平稳性和可靠性、机械零件与装配的精度。机械故障不仅影响加工零件的误差和表面质量，还可能引起停机和电气元件的损坏。经验表明：数控机床30%以上的故障与机械结构有关，因此，数控机床机械结构的维护、保养、维修和调整应给以足够的重视。•教学要求：了解数控机床主轴的变速方式、主轴部件，常用进给机械结构工作原理，常用自动换刀机构、回转工作台的结构；掌握数控机床主轴部件的调整和主传动系统的常见故障及排除方法，常用进给传动机械的调整和故障维修方法，自动换刀机构的调整和故障维修方法，液压与气动传动系统的维护和故障排除方法，回转工作台的调整和维修。2019/8/162数控机床维修创新型应用人才培养系列教材现代数控机床故障诊断与维修2019/8/163第一章绪论•7.1数控机床主传动系统的维修与调整•7.2数控机床进给系统维修与调整•7.3自动换刀装置的维修与调整7.4数控机床辅助机构的维修与调整•7.4数控机床辅助机构的维修与调整2019/8/164一、主轴变速方式1．无级变速·数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。2．分段无级变速(1)带有变速齿轮的主传动(见图7-1a)(2)通过带传动的主传动(见图7-1b)(3)用两个电动机分别驱动主轴(见图7-1c)(4)内装电动机主轴变速（如图7-1d所示）7.1数控机床主传动系统的维修与调整2019/8/165二、主轴部件主轴部件是机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。无论哪种机床的主轴部件都应满足下述几个方面的要求：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。对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。（一）主轴端部的结构形状图7-2a为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有双头螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时栓住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。图7-2b为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7:24的锥孔内定位，由于不能自锁要用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。2019/8/1662019/8/167图7-2c为外圆磨床砂轮主轴的端部；图d为内圆磨床砂轮主轴端部；图e为钻床与普通镗杆端部，刀杆或刀具由莫氏锥孔定位，用锥孔后端第一扁孔传递转矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用b图的形式，图为7:24的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具；图7-2（f）为快换钻套。2019/8/168（二）主轴部件的支承1．主轴部件常用滚动轴承的类型图7-3a为锥孔双列圆柱滚子轴承，内圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥形轴颈轴向移动时，内圈胀大以调整滚道的间隙。滚子数目多，两列滚子交错排列，因而承载能力大，刚性好，允许转速高。它的内、外圈均较薄，因此，要求主轴轴颈与箱体孔均有较高的制造精度，以免轴颈与箱体孔的形状误差使轴承滚道发生畸变而影响主轴的旋转精度。该轴承只能承受径向载荷。•图7-3b是双列推力角接触球轴承，接触角为60°，球径小，数目多，能承受双向轴向载荷。磨薄中间隔套，可以调整间隙或预紧，轴向刚度较高，允许转速高。该轴承一般与双列圆柱滚子轴承配套用作主轴的前支承，并将其外圈外径做成负偏差，保证只承受轴向载荷。2019/8/1692019/8/1610•图7-3c是双列圆锥滚子轴承，它有一个公用外圈和两个内圈，由外圈的凸肩在箱体上轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。磨薄中间隔套可以调整间隙或预紧，两列滚子的数目相差一个，能使振动频率不一致，明显改善了轴承的动态性。这种轴承能同时承受径向和轴向载荷，通常用作主轴的前支承。2019/8/1611图7-3d为带凸肩的双列圆柱滚子轴承，结构上与图c相似，可用作主轴前支承；滚子作成空心的，保持架为整体结构，充满滚子之间的间隙，润滑油由空心滚子端面流向挡边摩擦处，可有效地进行润滑和冷却。空心滚子承受冲击载荷时可产生微小变形，能增大接触面积并有吸振和缓冲作用。2019/8/1612图7-3e为带预紧弹簧的圆锥滚子轴承，弹簧数目为16～20根，均匀增减弹簧可以改变预加载荷的大小。2．滚动轴承的精度图主轴部件所用滚动轴承的精度有高级6（E）、精密级5（D）、特精级4（C）和超精级2（B）。前支承的精度一般比后支承的精度高一级，也可以用相同的精度等级。普通精度的机床通常前支承取4（C）、5（D）级，后支承用5（D）、6（E）级。特高精度的机床前后支承均用级2（B）级精度。2019/8/16133．主轴滚动轴承的配置在实际应用中，数控机床主轴轴承常见的配置有下列三种形式.图a所示的配置形式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。•图b所示的配置没有图a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。2019/8/16142019/8/1615图c所示的配置形式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。2019/8/1616•为提高主轴组件刚度，数控机床还常采用三支承主轴组件。尤其是前后轴承间跨距较大的数控机床，采用辅助支承可以有效地减少主轴弯曲变形。三支承主轴结构中，一个支承为辅助支承，辅助支承可以选为中间支承，也可以选为后支承。辅助支承在径向要保留必要的游隙，避免由于主轴安装轴承处轴径和箱体安装轴承处孔的制造误差(主要是同轴度误差)造成的干涉。辅助支承常采用深沟球轴承。2019/8/16174．主轴滚动轴承的预紧所谓轴承预紧，就是使轴承滚道预先承受一定的载荷，不仅能消除间隙而且还使滚动体与滚道之间发生一定的变形，从而使接触面积增大，轴承受力时变形减少，抵抗变形的能力增大。(1)轴承内圈移动如图7-5所示，这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。图a的结构简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。图b用右端螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。图c在主轴凸缘上均布数个螺钉以调整内圈的移动量，调整方便，但是用几个螺钉调整，易使垫圈歪斜。图d将紧靠轴承右端的垫圈做成两个半环，可以径向取出，修磨其厚度可控制预紧量的大小，调整精度较高，调整螺母一般采用细牙螺纹，便于微量调整，而且在调好后要能锁紧防松。2019/8/1618•(2)修磨座圈或隔套•图7-6a为轴承外圈宽边相对(背对背)安装，这时修磨轴承内圈的内侧；图7-6b为外圈窄边相对(面对面)安装，这时修磨轴承外圈的窄边。在安装时按图示的相对关系装配，并用螺母或法兰盖将两个轴承轴向压拢，使两个修磨过的端面贴紧，这样在两个轴承的滚道之间产生预紧。另一种方法是将两个厚度不同的隔套放在两轴承内、外圈之间，同样将两个轴承轴向相对压紧，使滚道之间产生预紧，如图7-7a、b所示。2019/8/1619•（三）主轴的材料和热处理•主轴材料可根据强度、刚度、耐磨性、载荷特点和热处理变形大小等因素来选择。主轴刚度与材质的弹性模量E有关。无论是普通钢还是合金钢其E值基本相同。因此，对于一般要求的机床其主轴可用价格便宜的中碳钢、45钢，进行调质处理后硬度为22～28HRC；当载荷较大或存在较大的冲击时，或者精密机床的主轴为减少热处理后的变形，或者需要作轴向移动的主轴为了减少它的磨损时，则可选用合金钢。常用的合金钢有：40Cr进行淬硬硬度达到40～50HRC，或者用20Cr进行渗碳淬硬使硬度达到56～62HRC。某些高精度机床的主轴材料则选用38CrMoAl进行氮化处理，使硬度达到850～1000HV。2019/8/1620•（四）主轴的润滑与冷却•主轴轴承润滑和冷却是保证主轴正常工作的必要手段。为了尽可能减少主轴部件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油循环系统把主轴部件的热量带走，使主轴部件与箱体保持恒定的温度，在某些数控机床上，采用专用的冷却装置，控制主轴箱温升。有些主轴轴承用高级油脂润滑，每加一次油脂可以使用7～10年。对于某些主轴要采用油气润滑、喷注润滑和突入滚道润滑等措施，以保证在高速时正常冷却润滑效果。2019/8/1621•三、主轴准停•主轴准停功能又称主轴定位功能(SpindleSpecifiedPositionStop)，即当主轴停止时，控制其停于固定的位置，这是自动换刀所必须的功能。•主轴准停可分为机械准停与电气准停，它们的控制过程是一样的，机械准停控制过程如图7-8所示。常用的电气准停有：磁传感器主轴准停；编码器型主轴准停；数控系统控制准停。图7-8主轴准停控制图四、数控车床主轴部件的结构与调整•1．主轴部件结构图7-9是CK7815型数控车床主轴部件结构图，该主轴工作转速范围为15-5000r／min。主轴9前端采用三个角接触轴承12，通过前支承套14支承，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。2019/8/16222．主轴部件的拆卸与调整•(1)主轴部件的拆卸主轴部件在维修时需要进行拆卸。拆卸前应做好工作场地清理、清洁工作和拆卸工具及资料的准备工作，然后进行拆卸操作。拆卸操作顺序大致如下：•1)切断总电源及主轴脉冲发生器等电气线路。总电源切断后，应拆下保险装置，防止他人误合闸而引起事故。•2)切断液压卡盘(图7-9中未画出)油路，排放掉主轴部件及相关各部分的润滑油。油路切断后，应放尽管内余油，避免油溢出污染工作环境，管口应包扎，防止灰尘及杂物侵入。2019/8/1623•3)拆下液压卡盘(图7-9中未画出)及主轴后端液压缸等部件。排尽油管中余油并包扎管口。•4)拆下电动机传动带及主轴后端带轮和键。•5)拆下主轴后端螺母3。•6)松开螺钉5，拆下支架6上的螺钉，拆去主轴脉冲发生器(含支架、同步带)。•7)拆下同步带轮1和后端油封件。•8)拆下主轴后支承处轴向定位盘螺钉。•9)拆下主轴前支承套螺钉。•10)拆下(向前端方向)主轴部件。2019/8/1624•11)拆下圆柱滚子轴承15和轴向定位盘及油封。•12)拆下螺母7和螺母8。•13)拆下螺母10和螺母11以及前油封。•14)拆下主轴9和前端盖13。主轴拆下后要轻放，不得碰伤各部螺纹及圆柱表面。•15)拆下角接触球轴承12和前支承套14。•以上各部件、零件拆卸后，应清洗及防锈处理，并妥善存放保管。2019/8/1625•(2)主轴部件装配及调整装配前，各零件、部件应严格清洗，需要预先涂油的部件应涂油。装配设备、装配工具以及装配方法，应根据装配要求及配合部位的性质选取。操作者必须注意，不正确或不规范的装配方法，将影响装配精度和装配质量，