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第4章数控机床的机械结构与特点第一节数控机床机械结构特点一、数控机床机械结构的组成(1)机床基础部件，如床身、立柱、工作台等；(2)主传动系统；(3)进给传动系统；(4)实现某些辅助动作和辅助功能的系统和装置如液压、气动、润滑、冷却等系统及排屑、防护装置和刀架、自动换刀装置；5)工件实现回转、定位的装置及附件，如数控回转工作台；(6)特殊功能装置，如监控装置、加工过程图形显示、精度检测等。1.数控机床机械结构的主要组成由于数控机床主轴驱动、进给驱动和CNC技术的发展，以及为适应高效率生产的需要，数控机床的机械结构已经从初期对通用机床局部结构的改进，逐步发展到形成数控机床的独特的机械结构。●刀架●床身●主轴箱●高精度导轨●滚珠丝杠●床座●尾座1．高刚度和高抗振性数控机床经常在高速和连续重载切削条件下工作工作中应无变形和振动2．高灵敏度运动部件具有高高灵敏度方法：导轨部件通常采用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，在低速运动时无爬行现象。由电动机驱动滚珠丝杠或静压丝杠带动数控机床的工作台、刀架等部件的移动。主轴多数采用滚动轴承和静压轴承。3．热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件的发热量要小，以防止产生热变形。立柱一般采取双壁框式结构，在提高刚度的同时使零件结构对称，防止因热变形而产生倾斜偏移。通常采用恒温冷却装置，减少主轴轴承在运转中产生的热量。为减少电动机运转发热的影响，在电动机上安装有散热装置和热管消热装置。4．高精度保持性防止使用中的变形和快速磨损采取措施：淬火、磨削导轨、粘贴抗磨塑料导轨等，以提高运动部件的耐磨性。5．高可靠性6．工艺复合化和功能集成化第二节数控机床主传动系统一、数控机床主传动系统的特点主轴部件的刚度、精度、抗振性和热变形直接影响加工零件的精度和表面质量。主运动的转速高低及范围、传递功率大小和动力特性，决定了数控机床的切削加工效率和加工工艺能力。主传动系统的特点：1．主轴转速高、调速范围宽并实现无级调速能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工主轴转速比同类型普通机床主轴最高转速高出两倍左右。2．主轴部件具有较大的刚度和较高的精度一次装夹要完成全部或绝大部分切削加工，包括粗加工和精加工。提高效率的强力切削在加工过程中机床是在程序控制下自动运行的，更需要主轴部件刚度和精度有较大裕量，从而保证数控机床使用过程中的可靠性。3．良好的抗振性和热稳定性主轴部件要有较高的固有频率，较好的动平衡，且要保持合适的配合间隙，并要进行循环润滑。4．为实现刀具的快速或自动装卸，数控机床主轴具有特有的刀具安装结构主轴上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。二、数控机床主轴的传动方式1．齿轮传动方式大、中型数控机床多采用此方式通过几对齿轮降速，确保低速时的扭矩，以满足主轴输出扭矩特性的要求。小型数控机床也采用这种传动方式的，以获得强力切削时所需要的扭矩。2.带传动方式带传动主要应用在小型数控机床上克服齿轮传动时引起振动和噪声的缺点适用于低扭矩特性要求.数控机床上应用的带传动有：⑴多楔带又称复合三角带能够满足主传动要求的高速、大转矩和不打滑的要求。多楔带安装时需较大的张紧力，使得主轴和电动机承受较大的径向负载，这是多楔带的一大缺点。⑵同步齿形带传动。是综合了带、链传动优点的新型传动方式优点：(1)传动效率高，可达98％以上。(2)无滑动，传动比准确。(3)传动平稳，噪声小。(4)使用范围较广，速度可达50m／s，速比可达10左右，传递功率由几瓦至数千瓦。(5)维修保养方便，不需要润滑。(6)安装时中心距要求严格，带与带轮制造工艺较复杂，成本高。主要参数与规格(1)节距P，相邻两齿在节线上的距离。由于强力层在工作时长度不变，所以强力层的中心线被规定为齿形带的节线(中性层)，并以节线的周长L作为齿形带的公称长度。(2)模数m带的基本特性尺寸是模数，它是节距与π之比，即m=P／π,是齿形带尺寸计算的一个主要依据，一般取值范围为1—10mm。(3)齿形带的其他参数和尺寸除了模数外，齿形带设计计算需要的其他参数还有齿数,宽度、齿距等.同步带的图样标注方法为：模数x宽度x齿数(mxbxz)。3．调速电动机直接驱动主轴传动方式电动机直接带动主轴运动，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。内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体优点：主轴部件结构紧凑、惯性小、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；缺点：是电动机运转产生的热量使主轴产生热变形。(1)如果电动机不内置，仍采用电动机通过带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，由此产生的振动和噪声等问题很难解决，势必影响高速加工的精度、加工表面粗糙度，并导致环境质量的恶化.(2)高速加工的最终目的是为了提高生产率，相应地要求在最短时间内实现高转速的速度变化，也即要求主轴回转时具有极大的角加、减速度。达到这个严酷要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减至最小。而只有将电动机内置，省掉齿轮、带等一系列中间环节，才有可能达到这一目的。(3)电动机内置于主轴两支承之间，与用带、齿轮等作末端传动的结构相比,可较大地提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。这样，电主轴即使在最高转速运转时，仍可确保低于其临界转速，保证高速回转时的安全。(4)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为平稳，使得主轴轴承寿命相应得到延长电主轴.4.两个电动机分别驱动三、主轴部件组成：主轴主轴支承装在主轴上的传动件密封件等(一)数控机床的主轴支承1主轴轴承类型(1)滚动轴承摩擦系数小，能够预紧，润滑维护简单。在一定的转速范围和载荷变动范围内能稳定地工作等特点。噪声大，滚动体数目有限，刚度变化大，抗振性差，并且限制转速。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发生畸变而影响主轴的旋转精度度该轴承只能承受径向载荷。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，并将其外圈外径作成负偏差，保证只承受轴向载荷。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进行轴向定位，箱体孔可以镗成通孔。薄的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。一般数控机床的主轴轴承可以使用滚动轴承，特别是立式主轴和装在套筒内能作轴向移动的主轴。为了适应主轴高速发展的要求，滚动轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。(2)静压滑动轴承静压滑动轴承的油膜压强由液压缸从外界供给，与主轴转速的高低无关，承载能力不随转速而变化，而且无磨损，启动和运转时摩擦力矩相同。所以静压轴承的回转精度高，刚度大。但静压轴承需要一套液压装置，成本较高，污染大。2．主轴轴承的配置(1)图2—6a所示的结构配置形式是现代数控机床主轴结构中刚性最好的一种。它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。(2)前支承采用3个超精密级角接触球轴承组合方式，具有较好的高速性能。后支承结构有采用2个角接触球轴承支承的，见图2—6b，也有用一个圆柱滚子轴承支承的，吸收热膨胀量的能力，适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。(3)圆锥滚子轴承，见图2—6c。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适用：中等精度、低速与重载的数控机床主轴。(补)主轴端部的结构形状设计要求：保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。图为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，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，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。左图为外圆磨床砂轮主轴的端部下图为钻床与普通镗杆端部3．主轴轴承的装配采用选配定向法：尽可能使主轴支承孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反。可提高主轴组件的精度。维修作记号法：机床拆装主轴轴承时，因原生产厂家已调整好轴承的偏心位置，所以要在拆卸前做好周向位置记号。（说明）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。液体静压轴承和动压轴承主要应用在主轴高转速、高回转精度的场合，如应用于精密、超精密数控机床主轴，数控磨床主轴。对于要求更高转速的主轴，可以采用空气静压轴承，这种轴承可达每分钟几万转的转速，并有非常高的回转精度。4．滚动轴承的间隙与预紧所谓轴承预紧，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。因此，对主轴滚动轴承进行预紧和合理选择预紧量，可以提高主轴部件的旋转精度、刚度和抗振性，机床主轴部件在装配时要对轴承进行预紧，使用一段时间以后，间隙或过盈有了变化，还得重新调整，所以要求预紧结构便于进行调整。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是使轴承内、外圈相对轴向移动来实现的。常用的方法有以下几种预紧目的：使滚动体与内外圈滚道在接触处产生预变形，使受载后承载的滚动体数量增多，受力趋向均匀，从而提高承载能力和刚度，有利于减少主轴回转轴线的漂移，提高旋转精度。(1)轴承内圈移动(2)修磨座圈或隔套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。（三）主轴上刀具自动夹紧和切屑清除６.３数控机床进给传动系统一、数控机床对进给传动系统的要求进给传动系统承担了数控机床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给。进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。要求：长寿命、高刚度、无传动间隙、高灵敏度、低摩擦阻力采用滚动导轨、静压导轨广泛应用滚珠丝杠螺母副各种机械部件首先保证它们的加工精度，其次采用合理的预紧来消除轴向传动间隙在进给系统反向运动时仍然由数控装置发出脉冲指令进行自动补偿。数控机床进给传动系统的主要机电部件有：伺服电动机、检测元件、联轴节、减速机构(齿轮副和带轮)、滚珠丝杠螺母副(或齿轮齿条副)、丝杠轴承、运动部件(工作台、导轨、主轴箱、滑座、横梁和立柱)等。６.３.４滚珠丝杠螺母副(一)滚珠丝杠螺母副的特点滚