立式加工中心主轴组件的结构设计（全套含CAD图纸）
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英文资料 is an a of of of to as of as to a of is of a on a or of DM of is of to to To 1 of of as a in an In in a of by of of in of 0 0 0 0% . be a in to be of of in of to be no so of of at up a of is a of of by or up to in a of to is of is to of a of to be s e we to of be an it be a of We of as of a to be to a of of In a, is of or or of so to to As in of is to is So in a of so to on of of be in a to in of of is if an to to of to is to A is be of a of of to of a of of of In of of of to in NC or in of on of a of in 2 is of of it NC as to a to is in in of of in to of NC a At a of of of a in of NC a At a of of of a in a is 0000 100000 m / 5 or in 0 2 m m. of or be to 0 60 m / of .4 m/s2 0 m/s2 In to a a of to of A to At in on of to in on in at as as to is of it a on of in to as of is ne of as (C) N) so 300 in a BN 67 of be 5 0 50 in be to of or or of is to a In be as of of .2 to of to on to a to to to be to in C As to a of or In of in to to of a or a to of 3 in as a of in DM to 2 15 h, h. to 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54轴箱行程（ Z 轴）： 470 主轴转速范围： 303000r/速移动速度（ Z 轴）： 10m/ 进给速度（ Z 轴）： 1400mm/ 四、进度计划 第 1 周 第 3 周：查阅资料，翻译要求字数的英文资料，调研目前市场上数控 机床的主轴组件几种主要的结构形式，并进行方案论证，写出开题报告。 第 4 周 第 6 周：通过查阅资料和参考一些机 床的结构，进行 主轴组件的 结构 设计。 第 7 周 第 9 周：结构分析与验算，满足技术性能指标和使用要求。 第 10 周 第 14 周：计算机绘制结构设计图纸，包括总图和一些零件图。 第 15 周 第 16 周：编写毕业设计说明书。 第 17 周 第 18 周：评审、准备答辩。 4 五、主要参考资料（外文资料至少一篇） 1、谢红 M济大学出版社， 2004. 2、韩鸿鸾 M东科学技术出版社， 2005. 3、罗学科 ,等 M化学工业学出版社， 2004. 4、周宏甫 M南理工大学出版社， 2005. 5、陈蔚芳 ,等 M学出版社， 2005. 6、王仁诚 J 2000,(1)： 4347. 7、 . 2004, 253(12): 938、 李佳 M华大学出版社， 2001. 9、娄锐 M子工业出版社， 2005. 10、 吴祖育等 . 数控机床 M海科学技术出版社， 2000. 六、系审批意见 系主任（签名） : 七、院领导审核意见 院领导（签名） : 八、学生实际完成日期 九、同组设计（论文）者 译 文 算机数字控制的控制原理 早期的机床在设计过程中，存在着一个很明显的特征，即人为去控制机床的滑动定位。为了使机床达到控制精度，人们使用他们的“传感器” 眼睛和耳朵，以及中央处理器 大脑，并协同伺服系统 手臂和腿，通过使用中央神经系统来协调所有这些没有关联的功能，从而去控制机床。在微电子时代到来之前，这种控制机床的方法一直普遍被认为是最好的系统。但是它也存在着一些严重的缺陷： 需要对工人进行长时间的培训； 工人的注意力很容易分散； 工人的操作水平要基于他们身体或者精神状况； 工人工作 的效率和时间成反比； 工人操作的速度是有限的。 如果在先进的计算机数字控制技术上能够克服这些明显的缺点，那我们为什么不去发展数控技术呢？一台数控机床的核心是它的机床控制单元（又称 它是编程人员和机床之间的一座桥梁。无论是否使用了计算机辅助功能，当一个零件的程序编写完成之后，机床控制单元必定会使其在一个合适的媒介上进行转换，而后通过电力或者液压伺服机构来控制机床运动。在二十世纪五十年代初期，数控单元的体积显的非常庞大，而如今的计算机数字控制则利用了先进的微处理技术。早期的数控系统是“硬件化的”，这意味 着诸如插补、磁带格式、滑动的定位方式以及其他一些功能等都是由机床控制单元中的电子元件所决定的。早期数控机床的采购者不得不亲自去判断他们所要购买的设备是要以绝对方式运动还是要以相对方式运动等等，因为这些因素对于机床控制单元的价格有很大的影响。它的优点在于大范围的程序选择，从而平衡了价钱这一不利条件。 直到二十世纪 70 年代初期，电子学研究已具有相当规模，因此迷你计算机被应用于计算机数控机床。这意味着先前“硬件化的”选择如今已被软件包所替代。作为软件选择的结果，具有很强可变性的编程能够利用计算机逻辑来指定绝对方式 、相对方式和极坐标方式等命令，在没有额外支出的基础上使机床变得多功能化。其它和计算机的使用直接相关的优点包括使用不同的磁带格式的日期进行编程的能力，这些在出厂时就已被设定好且符合计算机逻辑。当一台机床具有机床控制单元功能后，可以认为“软件化的”控制器和原先“硬件化的”控制器之间有着很大的不同之处。“软件化的”控制器拥有一个“执行程序”，它能够使控制器像车削中心或者加工中心一般去“思考”。机床制造商将会在计算机数字控制上加载一个“执行程序”，并且会不断去修改程序以满足他们的要求。因此，机床制造商将使用一部分内 存来储存诸如接口逻辑、换刀控制等功能，从而使控制器能够在一种特定类型的机床中被使用。 如今，计算机数字控制变得非常复杂，它能在阴极射线管（又称显示程序的参数，如同电视机屏幕一样。但是，它们之间真正的不同在于屏幕是一个多功能的类型，它能和屏幕图形一起显示全部操作数据和参数。此外，有关近期计算机数控编程以及控制器的类型则会在稍后的内容中提到。除了运行程序功能之外，其它必要的功能还包括：维护支持和错误诊断向导，它们同其它功能一样都会在显示出来。 在零件程序要改变之前，计算机数字控制的内存会保存这 些程序并列出其名称。这意味着如果没有电力支持的话，当机床断电后，所有程序都会遗失，这是非常令人头痛的。所以，不可变的“泡沫”内存解决了与之相关的保存打孔纸带和磁带等“硬复制”所带来的问题。这些“泡沫”内存涉及电荷微粒提供给内存“感觉”的方法。“泡沫”内存能够长时间维护和保存不使用的零件程序，且其退化也很慢。若有必要，它们可随时被调入活动内存区域并被恢复，那么他们就能够被“更新”了。对于不是经常使用的程序而言，最主要的缺点在于非常消耗内存。所以为了获得更多的利润，通常把那些不经常使用的程序以“硬复制形式”保存 。近来，一些计算机数字控制系统已经升级至 32 位的微处理硬件。它们具有一定程度的人工智能（又称 可以克服并加强零件的编程问题。但是，他们更多是用于零件编程的技巧，关于这一点，稍后会详细说明。 床控制系统 滑动定位控制系统通常被分为三类，他们是： 开环系统 间接测量闭环系统 直接测量闭环系统 接下来将会依次研究每一种系统并以模块图形式来说明它们操作和控制的模式。 开环系统（图 开环系统没有诸如滑动位移和速度控制等任何形式的反馈控制。在这样一个系统中，马达仅仅是靠通过电脉冲数 来驱动执行元件到指定的位置。当步进电动机收到一个指令信号后，若它拥有了足够的脉冲数，机床就会滑动一定的距离。如果没有滑动驱动形式存在，这种控制方式相对来说是很廉价的。但是，它的缺点在于如果有误差存在，那么误差就会一直累积。在上文中有提到，开环系统的滑动运动和控制都要依赖于步进电动机，它们的工作方式将会在本章中稍后讲解。 间接测量闭环系统（图 闭环系统拥有两个在开环系统中不存在的元件。它们是测量系统和比较仪。测量探头被安装于滚珠丝杠处，所以，当滚珠丝杠被伺服系统驱动开始旋转后，测量探头就开始检 测丝杠转动的角度，并使用反馈信号，与比较仪要求的数据进行比较。这种指令 /反馈信号不停地在产生。如果与开环系统的滑动运动相比，那么闭环系统的整个动作看上去就具有高精度的“可控制性”。但是这种间接式反馈控制系统也有一个问题存在，那就是要承受“扭转影响”。这些影响是在当重切削时，滚珠丝杠的扭曲所产生的，并且这个问题不可能被察觉，也不可能被比较仪所控制。因而，在零件的测量精度上会发生一点小误差。 直接测量闭环系统（图 直接测量的闭环系统可以被认为是“理想化的”控制方式，它能够直接测量导轨以及工件的位置。 为了测量导轨运动的位置，线性测量刻度随每根导轨的长度而设置。直接测量闭环系统和间接测量闭环系统的比较仪原理是相同的，但是测量刻度随着测量距离的变化，它会修正滑动距离以达到更高的定位精度。这种系统不存在扭转反作用力所带来的影响。大多数机床制造商所提供的线性刻度都非常昂贵。但是，由于消费者的需求，他们要有高精度的元件来加工高质量的零件。所以，线性刻度越来越受欢迎。线性刻度除了消除了后座力、滚珠丝杠的节距误差以及扭转影响等因素之外，它还需要有良好的加工环境。 图 型控制系统 注：一旦机床校准后，对 于一定程度的节距误差是能够进行补偿的。在消除误差时，对激光干涉仪进行编程来校准，要考虑到滚珠丝杠中的滑动节距误差。因此，当零件的程序开始执行后，它每分钟都进行滑动调整，以保持位置精度比滚珠丝杠更高。 床轴的设定 1972 年 第一章以及德国 3255 号文件已经确定数控机床的轴有三个数学的空间坐标：大写字母的 X、 Y、 Z。从已经确立的资料上来看，每个坐标的运动方向都有正方向（ +）和负方向（ -）。随着主轴的确定，每根线性轴还具有自己的旋转符号，他们被定义为大写字母的 A、 B、 C。 图 床轴的设定 图示 线性和旋转运动。但是，在运动学上存在着一些规则： 坐标系是互相垂直的，若坐标系涉及工件，则机床运动的方向就要根据工件的坐标系来确定； 对于诸如工件旋转等所有加工阶段而言，坐标系是不变的； 按照数学上旋转的方向，角度应该以顺时针方向表示 从轴的正方向来看； 坐标系的原点可以设置在工件的外面或里面。在选择轴时要注意，只有正方向的坐标系才起作用。在编程时选择轴的正负方向很容易让人迷惑。 图 床加工轴的设定 考虑在车削中心和加工中心中定义轴的方法时（见图 我们注意到两种情况的旋转轴都是 Z 轴。所以，无论是在车床还是车削中心中， Z 轴总是工件在旋转。但是，在铣床和加工中心中， Z 轴则是在进行铣削。在车削中心中，另一根主要的轴是 X 轴，而另外两根轴则是起到显示作用。工件的旋转轴 C 与顺时针方向的 C 轴不同的是，它是逆时针方向的。当刀具在第二个转塔时，它的概念则是W。第二坐标系 U、 V、 W 是独立的，它们平行于主轴 X、 Y、 Z，三个直线运动的坐标是 P、 Q、 R，它们也是独立的且平行于X、 Y、 Z。所以，第二坐标系分别是最近距离平行于主轴且相对是独立的。同时， 第三坐标系则明显地远离主轴。 D、 E、 F 的特征通常用于指定为第二坐标系的旋转运动或者是平行于 A、 B、 C 轴。为了进一步迷惑我们， D 轴还常和第三坐标系的进给运动联系在一起，而 E 轴则和第二坐标系的进给运动联系在一起。 当轴被设定之后，刀具就能根据工件来运动了，我们清楚这不太可能。在许多机床上，工件都是根据刀具来运动的，这意味着工具是随刀具的反方向来运动的。在这种情况下，每根轴都要设定一个起始点。在图 ，铣削设备证实了这种概念，并命名为 X和 Y。所有这些东西看起来相当复杂，但是不要害怕，编程人员无须过多考虑最初的设定。如果把 X 轴设定为沿着工件的平面向右，当面对这个平面时， Y 轴会指向平面的上面， Z 轴会指向平面的外面，这就使问题相对简化了。所以，当刀具相对工件运动时，这一看起来困惑的问题已经显得不那么重要了。最关键的问题是在工件上获得正确的形状。为了达到这一目的，编程人员必须了解机床的类型以及它基本轴的设定。换而言之，编程人员必须了解哪根轴是什么。比如说， Y 轴哪里是正方向，哪里是负方向。对于每一根直线和旋转的轴都应该这样。 就像完成轴定义的复杂图，如果使用多主轴加工中心，运动或轴都平行于或“屈服于”主轴，下面是 一些规则：主轴是 Z 轴，两根“奴隶”轴则分别是 样对于同时有三根轴工作的铣床来说是可行的。 控机床的定位控制模式 除了靠机床的加工方式来区别机床之外，我们也可以靠机床使用的滑动运动的位置控制来区别。泛泛地说，主要有三种位置控制种类来区分所有的数控机床： 点对点控制 直线控制（有时称为近轴控制） 连续路径控制 下面就这些位置控制系统做一个简单的回顾： 图 同形式的控制模式 a 点对点控制 b 直线或近轴控制 c 连续路径控制 点对点控制机床（图 点对 点控制的机床用常于钻削或者压力穿孔操作。这个系统的运行原理是一旦指令信号让滑板运动到一个特定的点 通常是一个固定的卡笛尔坐标系中的点 那么工作台夹紧，刀具开始加工。刀具定位的方式与下一个被加工特征没有关联，刀具路径见图 看，刀具的路径好象是随机的，可事实并不是如此。事实上，控制器是按下面的原理工作的（见图 如果刀具可以以直线运动时就要以直线运动，如图上的位置 1 和位置 2 所示。但是，当下一个洞在 5 号位置孔的后面。那么，机床就要同时快速运动两根轴。因此，在到达下一个坐标时，刀具走的几乎 是 45 路线。在到达最终位置之前，一根轴将停止运动，而另一根轴将继续运动。 注：所有的运动都是快速进给的。 对于控制器的要求相对来说不是很复杂，通过滚针、滚珠轴承，甚至是空气轴承所产生的滑动运动反应灵敏，因为它们的载荷是很小的。 直线或近轴控制（图 如果铣削操作要求从一个特征转换到另一个特征，那么就必须有与此运动相关的进给速率。因此，先前点对点控制方式是没有用的。因为每一根轴都必须在完全控制下进行不断的监测。近轴控制发展的比较早，与点对点控制不同的是，它 提供给机床更方便的控制和适应性。但是，就作者所知，现今没有任何一家机床制造商能独自提供这种类型的位置设备。 连续路径控制（图 诸如连续路径类型的轮廓系统到目前为止是使用最普遍的。他们有同步电动机进行进给驱动，在“工件包迹”内可到达任何一处精确的位置。这些普通的控制能用于点对点控制，可以迅速地从一个坐标指向下一个坐标。他们也可以用于直线运动的进给，或者是轮廓进给设备。当在进行轮廓加工时，刀具的位置必须连续不断地被控制。这意味着为了在工件上产生一个轮廓，控制器必须经常改变两根或者更多根轴的直线运动关 系。路径控制必须有一个插补器，所以它能够计算连续路径位置，直到刀具到达目标点。为了例举轮廓操作的要求，让我们想象在车削中心上要加工一个轮廓，然后区别在 X 或 Z 平面内的一个点以及下一个点，让刀具控制着一定的速度，保持 X:Z 路径比例进行直线运动。为了保证在工件上能成功加工出希望的兴旺，要保证进给驱动器保持着 fx:同步比例。 在大多数的加工中心上，连续路径控制只使用两根或者一根半轴。两根轴通常用于加工圆，而当要加工相当复杂的三维形状时，则需要另一根轴进行直线插补。然而，如果要求一个“真正的”三维或多路径铣削控 制，那么就需要一台更加复杂的机床。要注意的是，当控制两轴或一轴半时，如果信息已经在 作站上处理过，那么复杂的三维形状就可以成功地被加工出来，但有关这一部分内容将在稍后进行讲解。 前面已经提到过，当我们控制轴时需要使用插补器。所以，这些插补器是如何工作的？在他们之间有什么区别？这就是下一节的内容，主要回顾多数流行的插补器的工作方式。 原文说明 原文说明的内容是： 题名： 者： . 源： . 1993. 立式加工中心主轴组件的结构设计 1 立式加工中心主轴组件的结构设计 1 综述 课题研究的目的和意义 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展高新技术产业和尖端工业（如：信息技术及其产业，生物技术及其产业，航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家还将数 控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 加工中心是典型的集高新技术于一体的机械加工设备，它的发展代表了一个国家设计、制造的水平，因此在国内外企业界都受到了高度重视。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为加工中心的执行元件，它 带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受 切 立式加工中心主轴组件的结构设计 2 削力等，并 需 满足相关的 技术指标要求。 课题拟解决的关键问题 各类机床对其主轴组件的要求，主要是精度问题，就是要保证机床在一定的载荷与转速下，主轴能带动工件或刀具精确地、稳定地绕其轴心旋转，并长期地保持这一性能。主轴组件的设计和制造，都是围绕着解决这个基本问题出发的。为了达到相应的精度要求，通常，主轴组件应符合以下几点设计要求： 1） 旋转精度 指机床在空载低速旋转时，主轴前端安装工件或刀具部位的径向和轴向跳动值满足要求。目的是保证加工零件的几何精度和表面粗糙度。 2） 刚度 指主轴组件在外力的作用下，仍能保 持一定工作精度的能力。刚度不足时，不仅影响加工精度和表面质量，还容易引起振动。恶化传动件和轴承的工作条件。设计时应在其它条件允许的条件下，尽量提高刚度值。 3） 抗振性 指主轴组件在切削过程中抵抗强迫振动和自激振动保持平稳运转的能力。抗振性直接影响加工表面质量和生产率，应尽量提高。 4） 温升和热变形 温升会引起机床部件热变形，使主轴旋转中心的相对位置发生变化，影响加工精度。并且温度过高会改变轴承等元件的间隙、破坏润滑条件，加速磨损。 5） 耐磨性 立式加工中心主轴组件的结构设计 3 指长期保持其原始精度的能力。主要影响因素是材料热处理、轴承类型和润滑方式 1。 设计时应综合考虑以上几项要求，注意吸收新技术，以获得满意的设计方案。 工中心的发展状况 工中心的国内外发展 对于高速加工中心，国外机床在进给驱动上，滚珠丝杠驱动的加工中心快速进给大多在 0m 以上，最高已达到 0m 。采用直线电机驱动的加工中心已实用化，进给速度可提高到 0080 m ，其应用范围不断扩大。国外高速加工中心主轴转速一般都在 m 5 0 0 01 2 0 0 0 r，由于某些机床采用磁浮轴承和空气静压轴承，预计转速上限可提高到00000 r 。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在 右，高的已达 甚至更快。在结构上，国外的加工中心都采用了适应于高速加工要求的独特箱中箱结构或龙门式结构。在加工精度上，国外卧式加工中心都装有机床精度温度补偿系统，加工精度比较稳定。国外加工中心定位精度基本上按德国标准验收，行程 下，内。此外，为适应未来加工精度提高的要求，国外不少公司还都开发了坐标镗精度级的加工中心。 国内生产的高速加工中心快速进给大多在 0m 左右，个别达到0m 。而直线电机驱动的加工中心仅试制出样品，还未进入产量化，应用范围不广。国内高速加工中心主轴转速一般在 m 80006000 r，定位精度控制在 内，重复定位精度控制在 立式加工中心主轴组件的结构设计 4 内。在换刀速度方面，国内机床多在 ，无法与国际水平相比。 虽然国产数控机床在近几年中取得了可喜的进步，但与国外同类产品相比，仍存在着不少差距，造成国产数控机床的市场占有率逐年下降。 国产数控机床与国外产品相比，差距主要在机床的高速、高效和精密上。除此之外，在机床可靠性上也存在着明显差距，国外机床的平均无故障时间（ 在 5000 小时以 上，而国产机床大大低于这个数字，国产机床故障率较高是用户反映最强烈的问题之一 2 4。 课题涉及的主轴部件的研究进展 典型加工中心的机械结构主要有基础支承件、加工中心主轴系统、进给传动系统、工作台交换系统、回转工作台、刀库及自动换刀装置以及其他机械功能部件组成 5。图 示为立式加工中心结构图。 图 式加工中心结构图 1 2伺服电机 3伺服电机 45 6 7 89 10 11 1213 14 15 16 立式加工中心主轴组件的结构设计 5 主轴系统为加工中心的主要组成部分，它由主轴电动机、主轴传动系统以及主轴组件成。和常规机床主轴系统相比，加工中心主轴系统要具有更高的转速、更高的回转精度以及更高的结构刚性和抗振性。 主轴组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。机床加工时，主轴带动工件或刀具参与表面成形运动，所以主轴的精度、刚度和热变形对加工质量和生产效率等有着重要的影响 5。由于加工中心在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严 重。 机床主轴轴承发展，经历了滚、陶、气浮、磁浮等阶段。滚动轴承发展到陶瓷轴承，即钢球改为陶瓷球，滚道加 属。由于陶瓷球具有高刚度、高硬度、低密度以及低热胀和低导热系数等特点，同时所用油脂为一次性，终身润滑，大大地提高了滚动轴承的性能，所以被广泛采用 3。 目前，一般中小规格的数控机床（如车床、铣床、钻镗床、加工中心、磨床等）的主轴部件多采用成组高精度滚动轴承重型数控机床采用液体静压轴承，高精度数控机床（如坐标磨床）采用气体静压轴承，转速达mi n/10102 4 r 的主 轴则可采用磁力轴承或氮化硅材料的陶瓷滚珠轴承。 数控机床的转速高，为减少主轴的发热，必须改善轴承的润滑方式。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，每加一次油脂可使用 107 年。也有用油气润滑，除在轴承中加入少量润滑油外，还引入压缩空气，使滚动体上包有油膜起到润滑作用，再用空气循环冷却 4。 立式加工中心主轴组件的结构设计 6 2 方案论证 轴 主轴是主轴组件的重要组成部分 ,机床主轴的转速功率动态平衡刚性及热变形特性等对机床的刚性和热稳定性都有相当程度的影响。因此，设计高速 数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速度和高刚性的要求；设计高精度数控机床时，主轴应满足高精度低温升的要求等 6。 主轴的主要尺寸参数包括：主轴的直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨距。评价和考虑主轴的主要尺寸参数的依据时主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。主轴材料的选择主要根据刚度、载荷特点、耐磨性和热处理变形大小等因素确定，主轴材料常采用的有 45 钢、 经渗氮和感应加热淬火 7。 机床主轴的轴端一般用于安装刀具、夹持工件或夹具。在结构上，应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方 便，并能传递足够的扭矩。目前，主轴端部的结构形状都已标准化 7。图 示为几种机床上通用的结构形式。 立式加工中心主轴组件的结构设计 7 (a) 车床 (b) 铣镗类机床 (c) 外圆磨床 (d) 内圆磨床 (e) 钻床镗床 (f) 数控镗床 图 床主轴轴端形式 轴组件的支承 轴轴承的类型 机床主轴带着刀具或夹具在支承件中作回转运动，需要传递切削扭矩，承受切削抗力，并保证必要的旋转精度。数控机床主轴支承根据主轴部件的 转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。主轴轴承是主轴组件的重要组成部分，它的类型、结构、配置、精度、安装、调整、润滑和冷却都直接影响了主轴组件的工作性能。在数控机床上主轴轴承常用的有滚动轴承和滑动轴承。 滚动轴承摩擦阻力小，可以预紧，润滑维护简单，能在一定的转速范围和载荷变动范围下稳定地工作。滚动轴承由专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。但与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对转速有很大的限制。 立式加工中心主轴组件的结构设计 8 数控机床主轴组件在可能条件下，尽量 使用了滚动轴承，特别是大多数立式主轴和主轴装在套筒内能够作轴向移动的主轴。这时滚动轴承可以用润滑脂润滑以避免漏油。图 示为主轴常用的几种滚动轴承的类型。 (a)双列圆柱 (b)双列推力向 (c)双列圆锥滚 (d)带凸缘双列圆柱 (e)带弹簧的单列圆 滚子轴承 心球轴承 子轴承 滚子轴承 锥滚子轴承 图 轴常用的几种滚动轴承的类型 为了适应主轴高速发展的要求，滚珠轴承的滚珠可采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由于陶瓷材料的质量 轻，热膨胀系散小，耐高温，所以具有离心小、动摩擦力小、预紧力稳定、弹性变形小、刚度高的特点。但由于成本较高，在数控机床上还未普及使用 7 10。 数控机床主轴支承根据主轴部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表 立式加工中心主轴组件的结构设计 9 表 控机床的主轴轴承及其性能 12 性 能 滚动轴承 液体静压轴承 气体静压轴承 磁力轴承 陶瓷轴承 旋转精度 一般或较高，在预紧无间隙时较高 高，精度保持性好 一般 同滚动轴承 刚 度 一般或较高 ，预紧后较高，取决于所用轴 高，与节流阀形式有关，薄膜反馈或滑阀反馈很高 较差，因空气可压缩，与承载力大小有关 不及一般滚动轴承 比一般滚动轴承差 抗 振 性 较差，阻尼比 好，阻尼比 好 较好 同滚动轴承 速度性能 用于中、低速，特殊轴承可用于较高速 用于各级速度 用于超高速 用于高速 用于中、高速，热传导率低，不易发热 摩擦损耗 较小， 小， 小 很小 同滚动轴承 寿 命 疲劳强度限制 长 长 长 较长 结构尺寸 轴向小，径向大 轴向大，径向小 轴向大，径向小 径向大 轴向小，径向大 制造难易 轴承生产专业化、标准化 自制，工艺要求高，需要供油设备 自制，工艺较液压系统低，需要供气系统 较复杂 比滚动轴承难 使用维护 简单，用油脂润滑 要求供油系统清洁，较难 要求供气系统清洁，较易 较难 较难 成 本 低 较高 较高 高 较高 轴轴承的配置 根据主轴部件的工作精度、刚度、温 升和结构的复杂程度，合理配置轴承，可以提高主传动系统的精度。采用滚动轴承支承，有许多不同的配 立式加工中心主轴组件的结构设计 10 置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图 示的几种形式。 (a) (b) (c) (d) 图 控机床主轴轴承的配置形式 在图 2.3(a)所示的配置中，前支承采用双列短圆柱滚子轴承和 60角接触球轴承组合，承受径向载荷和轴向载荷，后 支承采用成对角接触球轴承，该配置可满足强力切削的要求，普遍应用于各类数控机机床。 在图 2.3(b)所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由 32 个轴承组成一套，背靠背安装，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用双列短圆柱滚子轴承，这种配置适用于高速、重载的主轴部件。 在图 2.3(c)所示的配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，以承受径向载荷和轴向载荷，角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达 000 r ，但这种轴承的承载 能力小，因而这种配置适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。 在图 2.3(d)所示的配置形式中，前支撑采用双列圆锥滚子轴承，承受径向载荷和轴向载荷，后支承采用单列圆锥滚子轴承，这种配置径向和轴向的刚度高，可承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好，但主轴转速和精度的提高受到限制，因此适用于中等精度，低速与 立式加工中心主轴组件的结构设计 11 重载荷的数控机床主轴 13 15。 轴轴承的预紧 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回转 精度、刚度和抗振性。滚动轴承间隙的调整或预紧，通常是通过轴承内、外圈的相对轴向移动来实现的。 1） 轴承内圈移动 这种方法适用于锥孔双列圆柱滚子轴承。用螺母通过套筒推动内圈在锥形轴颈上做轴向移动，使内圈变形胀大，在滚道上产生过盈，从而达到预紧的目的。图 示为几种轴承内圈的预紧形式。 (a) (b) (c) (d) 图 承的预紧形式 图 2.4(a)结构简单，但预紧量不易控制，常用于轻载机床主轴部件。 图 2.4(b)用螺母限制内圈的移动量，易于控制预紧量。 图 2.4(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 立式加工中心主轴组件的结构设计 12 便，但是用几个螺钉调整。易使垫圈歪斜。 图 2.4(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，而且在调好后要锁紧防松 15,16。 2） 修磨座圈 通过修磨轴承的内外座圈，可以调整轴承的预紧力。图 示为两种修磨的形式。 (a) 修磨轴承内圈的内侧 (b) 修磨轴承外圈的内侧 图 磨轴承座圈 图 2.5(a)为轴承外围宽边相对 (背对背 )安装，这时修磨轴承内圈的内侧，使间隙 a 增大。 图 2.5(b)所示为外围窄边相对 (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，这样能够使两个轴承的滚道之间产生预紧 12,13。 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，隔套调整法如图 立式加工中心主轴组件的结构设计 13 所示 12,15,17。 (a) (b) 图 套调整法 轴组件的润滑与密封 主轴部件的润滑与密封是机床使用和维护过程中值得重视的两个问题。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入，还要防止润滑油的泄漏。 轴组件的润滑 在数控机床上，主轴轴承润滑方式有油脂润滑，油液循环润滑、油雾润滑、油气润滑等。 1） 油脂润滑方式 这是目前在数控机床的主轴轴承上最常用的润滑方式，特别是在前支承轴承上更是常用。当然，如果主轴箱中没有冷却润滑油系统，那么后支承轴承和其他轴承一般采用油脂润滑方式。主轴轴承油脂封入量，通 常为轴承空间容积的 %10 ，切忌随意填满。油脂过多，会加剧主轴发热 13,18。 采用油脂润滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或润滑油进入轴承中。 2） 油液循环润滑 立式加工中心主轴组件的结构设计 14 在数控机床主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有 承的主轴，即可使用这种方式。对一般主轴轴承来说，后支承上采用这种润滑方式比较常见 19。 图 示是恒温油液循环润滑冷却方式。 图 温冷却主轴箱 由油温自动控制箱控制的恒温油液，经油泵打到润轴箱，一路沿主轴前支承套外圈上 的螺旋槽流动，带走主轴轴承所发出的热量，另一路通过主轴箱内的分油器，把恒温油喷射到传动齿轮和传动轴支承轴承上，以带走它们所产生的热量 20。这种方式润滑和降温效果都很好。 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 立式加工中心主轴组件的结构设计 15 部位的润滑方式。由于雾状油液吸热性好，又无油液搅拌作用，所以此方式常用于高速主轴轴承的润滑。但是，油雾容易吹出，污染环境 13。 4） 油气润滑方式 油气润滑方式是针对高速主轴而开发的新型润滑方式。它是用极微量油 ( 约 303.0 )润滑轴承，以抑制轴承发热。示。 图 气润滑原理图 1 油箱（带油位开关） 2 压力开关 3 定量柱塞式分配器 4 混合物形成阀 5 喷嘴 6 时间继电器 7 压力开关 8 压力表 9 过滤器 10 电磁阀 11 泵 油箱中的油位开关和管路中的压力开关，确保在油箱中无油或压力不足时，能自动切断主电动机电源 14,16。 轴组件的密封 主轴的密封有接触式 密封和非接触式密封。图 几种非接触密封 立式加工中心主轴组件的结构设计 16 的形式。 (a) (b) (c) 图 接触式密封 1 端盖 2 螺母 图 2.9(a)是利用轴承盖与轴的间隙密封，轴承盖的孔内开槽是为了提高密封效果。这种密封用在工作环境比较清洁的油脂润滑处。 图 2.9(b)是在螺母的外圆上开锯齿形环槽，当油向外流时，靠主轴转动的离心力把油沿斜面甩到端盖 1 的空腔内，油液流回箱内。 图 2.9(c)是迷宫式密封结构，在切削多、灰尘大的工作环境下可获得可靠的密封效果， 这种结构适用油脂或油液润滑的密封。非接触式的油液密封时，为了防漏，重要的是保证回油能尽快排掉，要保证回油孔的畅通 15。 接触式密封主要有油毡圈和耐油橡胶密封圈密封，如图 示 12。 立式加工中心主轴组件的结构设计 17 (a) (b) 图 触式密封 1 甩油环 2 油毡圈 3 耐油橡胶密封圈 轴准停装置 主轴准停装置是换刀过程所要求的在加工中心上特有得装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，在切削时得切削转矩不能完全靠锥孔的摩擦力来传递，因此通常在主轴前端设置一 个凸键，当刀具装入主轴时，刀柄上的键槽必须与此凸键对准，为保证顺利换刀，主轴必须停止在某一固定的角度方向，主轴定向装置就是为保证主轴换刀时准确停止在换刀位置而设置的。 加工中心的主轴定向装置有机械方式和电气方式 (如磁力传感器检测定向 )两种。 机械方式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。采用这种方法定向比较可靠准确，但结构较复杂 18 20。 立式加工中心主轴组件的结构设计 18 目前常采用的电气方式是用磁力传感器检测定向， 图 气式主轴准停 在主轴上安装一个发磁体与主轴一起旋转，在距离发磁体旋转外轨迹 处固定一个磁传感器，磁传感器经过放大器与主轴控制单元连接，当主轴需要定向时，便可停止在调整好的位置上。这种定向方式结构简单，而发磁体的线速度可达到 500 m 以上。由于没有机械摩擦和接触，同时定位精度也能够满足一般换刀的要求，并且定向时间短，可靠性较高，所以应用的比较广泛。发磁体可安装在一个圆盘的边缘，但这对较精密的、高转速 加工中心主轴来说，由于需要较高的动平衡指标，就不十分有利。另一种是将发磁体做成动平衡效果很好的圆盘，使用时只需要将圆盘整体装在主轴上即可。在各种加工中心上采用什么形式的主轴定向装置，要根据各自的约束条件来选择 17。 立式加工中心主轴组件的结构设计 19 屑清除机构 自动清除主轴孔内的灰尘和切屑是换刀过程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，锥孔表面和刀杆锥柄会被划伤，甚至会使刀杆发生偏斜，破坏刀杆的正确定位，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。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 12,19。 课题的设计方案拟定 鉴于上述主轴组件各部分的优缺点，现初步决定采用以下方案： 在本课题中，加工中心主要用于铣削作用，所以在主轴轴端采用适用于铣镗类机床的轴端。图 示为铣床主轴的轴端形式。 图 床主轴的轴端形式 主轴轴承是主轴组件的重要部分之一。本课题采用如图 示的轴承配置形式。 立式加工中心主轴组件的结构设计 20 图
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