滚珠丝杠驱动的加工中心.doc

滚珠丝杠驱动的加工中心目录1 引言11.1 加工中心的发展状况11.1.1 加工中心在国内外的发展11.1.2 主轴部件的研究进展21.2 课题的目的及内容31.3 课题解决的关键问题31.4 解决上述问题的策略42 方案拟定52.1 加工中心主传动系统的组成52.2 机械系统方案的确定52.2.1 主轴传动机构52.2.2 主轴进给机构62.2.3 主轴准停机构62.2.4 刀具自动夹紧机构62.3 加工中心主轴组件总体设计方案的确定83 主轴组件的主运动部件103.1 主电机选型103.2 主轴103.2.1 主轴的结构设计103.2.2 主轴受力分析163.2.3 主轴的刚度校核203.2.4 主轴的强度校核213.3 主轴组件的支承223.3.1 主轴轴承的类型223.3.2 主轴轴承的配置243.3.3 主轴轴承的预紧253.3.4 主轴支承方案的确定263.3.5 滚动轴承的精度与配合273.3.6 主轴轴承设计计算273.4 同步带的设计计算293.5 主轴组件的润滑与密封323.5.1 主轴组件的润滑323.5.2 主轴组件的密封323.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定343.6 主轴上键的设计与计算343.7 液压缸的设计计算35 结论37 参考文献38 致谢391引言1.1加工中心的发展状况1.1.1加工中心在国内外的发展 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40m/min以上，最高已达到90m/min。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80100m/min，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1200025000r/min，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100000r/min。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在1s左右，高的已达0.5s，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1000mm以下，定位精度可控制在0.0060.01mm之内。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。 相对而言，国内生产的高速加工中心快速进给大多在30m/min左右，个别达到60m/min。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600018000r/min，定位精度控制在0.0080.015mm之内，重复定位精度控制在0.0050.01mm之内。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（MTBF）都在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。1.1.2主轴部件的研究进展 图1.1立式加工中心结构图1-切削箱 2-X轴伺服电机 3-Z轴伺服电机 4-主轴电机5-主轴箱 6-刀库 7-数控柜 8-操纵面板9-驱动电柜 10-工作台 11-滑座 12-立柱13-床身 14-冷却水箱 15-间歇润滑油箱 16-机械手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。图 1.1 所示为立式加工中心结构图。 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。 随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主运动的“零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴” 。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接驱动主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大，还有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。1.2课题的目的及内容 主轴组件是机床的执行件。它的功用是支承并带动工件或刀具，完成表面成形运动，同时还起传递运动和扭矩、承受切削力和驱动力等载荷的作用。由于主轴组件的工作性能直接影响到机床的加工质量和生产率，因此它是机床中的一个关键组件。主轴组件是由主轴、主轴支承以及安装在主轴上的传动件组成。主轴组件的设计，其实主要就是这三个部件的设计，但它们既是独立的，又是互相联系而不可分割的，因此设计时需要全面、综合地加以分析。本课题的目的是进行立式加工中心主轴组件的结构设计，主轴组件作为立式加工中心的执行元件，它确保带动刀具进行切削加工、传递运动、动力及承受切削力等，并满足相关的技术指标要求。本课题涉及的主要技术指标有：(1)主电机采用FANUC交流主轴电机，功率5.5KW。（2） 主轴转速：标准型22.52250rpm;高速型：454500rpm.（3） 主轴锥孔为7:24，BT45，大端直径57.15.1.3课题解决的关键问题 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 旋转精度是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 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。根据本课题的设计任务要求，由于主轴的转速并不是很高，所以在抗振性、温升等方面不必重点考虑，而应重点考虑加工中心的旋转精度和刚性。但是在设计时仍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。1.4解决上述问题的策略旋转精度主要取决于主轴、支撑轴承、主轴箱上轴承座等的制造、装配和调整精度。显然，若要保证主轴组件的旋转精度，则必然对主轴支承轴颈的圆度、轴承滚道及滚子的圆度、主轴及其上的回转零件的动平衡度、止推轴承的滚道及滚动体的误差，以及对主轴的主要定心面的径向跳动和轴向窜动等提出较高的整体要求，特别是提高支承轴承的精度等级。要保证旋转精度，通常应尽量满足以上要求。而对于主轴组件的刚度，实际上市主轴、轴承、轴承座等加工设计的综合反映。主轴自身的结构形状和尺寸，滚动轴承的配置形式（背靠背、面对面、同向、混合等）、数量、类型、预紧等，以及支承的跨距、主轴前端的悬身量等都将直接影响其刚度。为了保证机床的主轴具有足够的刚度，通常应尽量使主轴前端的悬身量缩短，主轴直径增大，并通过计算求出支承轴间的最佳跨距、进行预紧、采用合理的轴承及相应的配置形式等措施。采用以上各种措施必然会使机床的刚性及旋转精度大幅度提高，但是，若盲目地全部采纳上述措施，则一定会使机床的制造难度增大，成本增加。所以，在设计的时候，要综合各项因素考虑。2方案拟定2.1加工中心主传动系统的组成主传动组件是由主轴、主轴支承、装在主轴上的传动件和密封件等组成的。主轴的启动、停止和变速等均由数控系统控制，并通过装在主轴上的刀具参与切削运动，是切削加工的功率输出部件。主轴是加工中心的关键部件，其结构的好坏对加工中心的性能有很大的影响，它决定着加工中心的切削性能、动态刚度、加工精度等。主轴内部刀具自动夹紧机构是自动刀具交换装置的组成部分。2.2 机械系统方案的确定2.2.1 主轴传动机构对于现在的机床主轴传动机构来说，主要分为齿轮传动和同步带传动。 齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，应用普遍，类型较多，适应性广。其传递的功率可达近十万千瓦，圆周速度可达200m/s，效率可达0.99。齿轮传动大多数为传动比固定的传动，少数为有级变速传动。但是齿轮传动的制造及安装精度要求高，价格较贵，且不宜用于传动距离过大的场合。 同步带是啮合传动中唯一一种不需要润滑的传动方式。在啮合传动中，它的结构最简单，制造最容易，最经济，弹性缓冲的能力最强，重量轻，两轴可以任意布置，噪声低。它的带由专业厂商生产，带轮自行设计制造，它在远距离、多轴传动时比较经济。同步带传动时的线速度可达50m/s（有时允许达100m/s），传动功率可达300kW，传动比可达10（有时允许达20），传动效率可达0.98。 同步带传动的优点是： a)无滑动，能保证固定的传动比； b)预紧力较小，轴和轴承上所受的载荷小； c)带的厚度小，单位长度的质量小，故允许的线速度较高； d) 带的柔性好，故所用带轮的直径可以较小。 其主要缺点是安装时中心距的要求严格。由于齿轮传动需要具备较多的润滑条件，而且为了使主轴能够达到一定的旋转精度，必须选择较好的工作环境，以防止外界杂物侵入。而同步带传动则避免了这些状况，并且传动效率和传动比等都能符合课题的要求，故在本课题的主轴传动方式中选择同步带传动。2.2.2主轴进给机构 对于主轴的进给运动，机床通常被设计为进给电动机与丝杠直接传动的形式。而丝杠所做的则是螺旋传动，它能将旋转运动转变为直线运动。螺旋传动按摩擦状态通常分为滑动螺旋，滚动螺旋，滚滑螺旋以及液压螺旋。如今在机床上通常采用的是滑动螺旋和滚动螺旋，下面就这两类传动方式进行比较，见表。由于本课题中丝杠用于主轴垂直方向的进给，所以对于高低速时，运行的稳定性要求较高。故对比以上两种螺旋传动的特点，结合本课题的需求，故采用传动效率高、磨损小、传动平稳的滚动螺旋传动方式。2.2.3主轴准停机构主轴准停装置是换刀过程中所要求的在加工中心特有的装置，也称之为主轴准停机构。由于刀具装在主轴上，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停在换刀位置而设置的。2.2.4刀具自动夹紧机构在自动换刀具时要求自动松开和夹紧刀具。如图2.1为主轴组件机构示意图。碟形弹簧11通过拉杆7，双瓣卡爪5，在套筒14的作用下，将刀柄的尾端拉紧。当换刀时，要求松开刀柄，此时，在主轴上端油缸的上腔A通入压力油，活塞12的端部推动拉杆7向下移动，同时压缩蝶型弹簧11，当拉杆7下移到使双瓣卡盘5的下端移出套筒14时，在弹簧6的作用下，卡爪张开，喷气头13将刀柄顶松，刀具即可由机械手拔出。待机械手将新刀装入后，油缸10的下腔通入压力油，活塞12向上移，蝶型弹簧伸长将拉杆7和双瓣5拉着向上，双瓣卡爪5重新进入套筒14，将刀柄拉紧。活塞12移动的两个极限位置都有相应的行程开关作用，作为刀具松开和夹紧的回答信号。 图2.1主轴组件机构示意图1调整半环；2双列园柱滚子轴承；3向心球轴承；4，9调整环；5双瓣卡爪； 6弹簧； 7拉杆； 8向心推力球轴承；10油缸；11碟形弹簧；12活塞；13喷气头；14套筒 （a) (b)图2.2刀柄拉紧结构刀杆尾部的拉紧结构，除上述的卡爪以外，还有图2.2（a)所示的弹簧夹头结构以及图2.2(b)所示的钢球拉紧机构。在本课题中，刀具自动夹紧机构借用图2.1的夹紧方式，采用气压缸夹紧方式，从而避免因油路堵塞等情况。而在拉杆处则采用钢球拉紧机构，因为其加工简单，并可以有效的拉紧刀杆。2.3加工中心主轴组件总体设计方案的确定本课题的总体设计方案现确定如下：由于同步带无打滑，能保证固定的传动比，且传动效率高，允许的线速度较高，无需安置在很良好的工作环境中，所以在主轴传动方式中选择同步带传动。但是需要注意的是同步带的安装具有严格的要求。由于加工中心具备自动换刀功能，所以在主轴组件中还应有主轴准停装置、刀具自动换刀机构。在换刀过程中，刀具自动夹紧机构也是不可或缺的一部分。它控制着刀杆的松紧，使刀具在加工时能紧紧的固定在主轴上，在换刀时能轻松地卸载。本课题采用了液压缸运行的方式，通过活塞、拉杆、拉钉等一系列元件的运动来达到刀杆的松紧目的。同时，为了减少液压推力对主轴支承的磨损，在主轴的内部设置了一段蝶型弹簧，使活塞对拉杆的作用起到一个缓冲的作用。同时，在换刀过程中，活塞及拉杆的内部将被加工成中空状。 图示为本课题主轴组件结构示意图。 图2.3主轴组件结构示意图1拉钉；2钢球；3主轴；4拉杆；5碟形弹簧；6液压缸；7接近开关；8压缩空气管接头；9活塞；10管接头；11弹簧 3主轴组件的主运动部件3.1主电机选型利用交流伺服系统可进行精密定位控制，可作为CNC机床、工业机器人等的执行元件。异步型三相交流主轴电动机其结构简单，牢固可靠，可在恶劣的环境中工作。单位容量大，体积小，质量轻。加速和制动时间短、消耗小，速度响应快，动态速降小，定位精度高。FANUC交流主轴电机S系列从1.5kW37kW共分12种。它的特点是转速高、输出功率大、性能可靠、精度好、振动小、噪音低，既适合于高速切削又适合于低速重切削。该系列可应用在各种类型的数控机床上。根据主电机功率PE=5.5kW，故本课题选用FANUC-S系列标准型交流主轴电机6S型号。其主要技术参数如下：a) 额定输出功率：；b) 最高速度：；c) 额定输出转矩：；d) 转子惯量：。3.2主轴3.2.1主轴的结构设计主轴的主要参数是指:主轴前轴颈直径D1，主轴内孔径d，主轴悬身量a和主轴支撑跨距l见图。主轴主要参数示意图3.2.1.1主轴轴径的确定主轴轴径通常指主轴前颈的直径，其对于主轴部件刚度影响较大。加大直径D，可减少主轴本身弯曲变形引起的主轴轴端位移和轴承弹性变形引起的轴端位移，从而提高主轴部件刚度。但加大直径收到轴承dn值的限制，同时造成相配零件尺寸加大、制造困难、结构庞大和重量增加等，因此在满足刚度要求下赢取较小值。设计时主要用类比分析的方法来确定主轴前轴颈直径D1。加工中心主轴前轴颈直径D1按主电动机功率来确定，由机床设计手册查得D1=6098mm,取D1=85mm。由于装配需要，主轴的直径总是有前轴颈向后缓慢地减少的，在确定前轴径D1后，由式可知前轴径直径D1和后轴径D2有如下关系：D2=（0.70.85）D1,取D2=72mm。3.2.1.2主轴内孔直径d的确定主轴内孔直径与机床类型有关，主要用来通过棒料，通过拉杆或顶出顶尖等。确定孔径d的原则是，为减轻主轴重量，在满足对空心主轴孔径要求和最小壁厚要求以及削弱主轴刚度的要求下，应尽量取大值。由经验得知，当d/D=0.7时（D是主轴平均直径），主轴刚度会急剧下降；而d/D=0.5时，内孔d对主轴刚度几乎无影响，可忽略不计，所以常取孔径d的极限值为：极限值d2.5悬身量a值对主轴部件的刚度和抗震性具有较大的影响。因此，确定悬身量a的原则，是在满足结构要求的前提下尽可能取小值，同时应在设计时采取措施缩减a的值。（考虑密封装置的结构尺寸）暂取a=79mm3.2.1.5主轴支撑跨距l的确定 主轴支承跨距L是指主轴前-后或前-中支承反力作用点之间的距离，它是决定主轴组件刚度的主要因素之一，因为主轴组件的刚度主要取决于主轴本身的刚度和主轴支承的刚度，而前者与支承跨距L 有关。 主轴跨距与悬伸量主轴组件的刚度与主轴受力后的端部变形有关。主轴端部受力后，主轴和主轴的支承都会产生弹性变形，使主轴端部产生位移，根据位移叠加原理，主轴端部位移y由两部分组成 式中：y1-刚性支承（假定支承不变形）上弹性主轴端部的位移。 y2-弹性支承上刚性主轴（假定主轴不变形）端部的位移。（1）刚性支承上弹性主轴端部的位移y1根据材料力学中两支撑点梁和悬臂梁的挠度公式，可得： y1=a+= （厘米）式中：E主轴材料的弹性模量； I 主轴截面的平均惯性矩。当主轴平均直径为D,内孔直径为d时，I=.(3.1)当无孔时，.(3.2)(2)弹性支承上刚性主轴端部的位移y2设前、后支承的刚度分别为，前后支承的弹性变形刚度分别为 式中：前支承的支反力， 后支承的支反力， 因此， ， 用相似三角形定理可求得： 整理后可得： 主轴端部位移： 合理的跨距可根据上式确定，最小挠度的条件为，这时的应为合理跨距，式中用表示： 整理后得： 可以证明，该三次代数方程式只存在唯一的正实根，求解此方程较麻烦，为此可考虑用计算线图来定，令综合变量，代入上式，可解出： 系无量纲量，它表示抗弯刚度EI与主轴前支承刚度及悬伸量a的三次方的比值，由上式可知，仅是比值和的函数，故可用为参变量，为变量，做出的计算图。如下图 图3.2主轴最佳跨距计算图将D=82mm，d=59.5mm，a=79mm及前后轴承的刚度代入上述方程得： 查上图得： 所以 3.2.2主轴受力分析轴所受到的载荷是从轴上零件穿老的。计算时，常常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。而作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。（a)(b)(c)图3.3轴承受力图主轴上的轴承采用一端固定，另一端游动的支承形式。图示3.3a为轴承在空间力系的总受力图，它可分解为铅垂面（图3.3b）和水平面（图3.3c）两个平面力系。经验公式F切=812ap0.95af0.8ae1.1do-1.1zKFz式中：F切-铣削力，即主切削力（切向圆周分力），N ap -铣削深度，mm af -每齿进给量，mm/z ae -铣削深度，mm do -铣刀直径，mm Z -铣刀齿数 KFz-铣削力修正系数 b- 工件材料抗拉强度，GPa 已知：高速钢刀具：刀具前角o=15;主偏角Kr=60;工件材料为b=75kgf/mm2 碳钢；每齿进给量af=0.1mm/z；刀具直径为16mm，齿数Z=8；工件宽度ae=12mm，切削深度ap=3mm 将上述各条件代入公式，则主切削力为F切=2046N径向负荷 切向负荷 轴向负荷 图3.4静不定梁铅垂面分解图由于此主轴的受力属于简单静不定梁类型，所以要以静不定梁的受力方法来解决问题。图示3.4为静不定梁的铅垂面受力图。为了使其变形与原静不定梁相同，必须满足变形协调条件，即要求。利用叠加法，得挠度为： （3.3）式中： 径向（切向）负荷分力，单位为； 径向（切向）负荷，单位为； 材料的弹性模量，； 轴惯性矩，。由公式（3.1）得。将，代入公式（3.3），则铅垂面的挠度为：得得得将，代入公式（3.3），则水平面的挠度为：得得得（a)机构草图 (b)受力简图 (c)水平面受力 (d)水平面弯矩图 (e)垂直面受力 (f)垂直面弯矩图 (g)合成弯矩图 (h)转矩图 图3.5轴的结构和载荷图A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：轴的受力简图、水平面及垂直面受力简图见图3.5b、c、e。A-B段弯矩：水平面：垂直面：合成：B-C段弯矩：水平面：垂直面：合成：C-D段弯矩：水平面：垂直面：合成：D-E段弯矩： 水平面 垂直面合成：轴的水平面、垂直面及合成弯矩图见图3.5d、f、g。已知：小带轮的输出功率为，同步带的传动效率为。所以，大带轮的输出功率为：则大带轮的输出转矩为：3.2.3主轴的刚度校核从合成弯矩图和转矩图上得知，主轴在截面C、D处承受了较大的弯矩，并且还受到带轮传动所带来的扭矩。因此，这两个截面是危险截面。在校核主轴的强度时应按弯扭合成强度条件进行计算。轴的弯扭合成强度条件为 （3.4）式中： 轴的计算应力，； 轴的抗弯截面系数，； 折合系数； 轴的许用弯曲应力，； 轴所受的扭矩，单位为； 轴所受的弯矩，单位为。轴的抗弯截面系数为式中： 轴颈处直径，单位为； ，此处，为轴孔直径。得根据主轴材料为，由表查得许用弯曲应力。按扭转切应力为脉动循环变应力，取折合系数。将上述参数代入公式（3.4），则轴的计算应力为因为，所以主轴的强度符合要求。3.2.4主轴的强度校核轴在载荷作用下，将产生弯曲或扭转变形。若变形量超过允许的限度，就会影响轴上零件的正常工作，甚至会丧失机器应有的工作性能。对于本课题的主轴，应该按轴的弯曲刚度校核。轴计算刚度经验公式为 （3.5）式中： 轴的计算挠度，单位为； 轴惯性量，单位为； 轴所用材料的弹性模量，单位为； 支承跨度，单位为； 轴所受圆周力，单位为； 轴所受径向力，单位为。 轴的允许挠度，单位为已知：，。轴的允许挠度为将上述参数代入公式（3.5），则轴的计算刚度为由于，所以轴能够满足刚度要求。综上所述，轴的强度，刚度均符合校核要求。3.3主轴组件的支承3.3.1主轴轴承的类型机床主轴带着刀具或夹具在支承件中做回转运动，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取不同种类的轴承。主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。滚动轴承油专业化工厂生产，选购维修方便，在数控机床上被广泛采用。但是与滑动轴承相比，滚动轴承的噪声大，滚动体数目有限，刚度是变化的，抗振性略差并且对准苏有很大的限制。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。图示为主轴常用的机种滚动轴承的类型。图3.6主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，滚珠轴承可以采用陶瓷滚珠。陶瓷滚珠轴承由于陶瓷材料的质量轻，热膨胀系数小，耐高温，所以具有离心小、动摩擦力小、预紧力小、预紧力稳定、弹性变形小、刚度高的特点。但是由于成本较高，在数控机床上还未普及使用。数控机床主轴支承根据株洲部件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采取不同种类的轴承。不同类型主轴轴承的优缺点见表。数控机床的主轴轴承及其性能表3.3.1 数控机床的主轴轴承及其性能性 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TiN或CrNi金属。同时，所用油脂为一次性，终身润滑，大大提高了滚动轴承的性能，所以被广泛采用。目前，一般中小规格的数控机床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，高精度数控机床采用了气体静压轴承，转速达210104r/min的主轴则可以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7-10年。3.3.2主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，有许多不同的配置形式，目前数控机床主轴轴承的配置主要有如图所示的几种形式。 (a)(b)(c)(d)图3.7数控机床主轴轴承的配置形式在图3.7（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，承受镜像载荷和轴向载荷，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床。在图3.7（b）所示的配置形式中，前轴承采用角接触球轴承，由2-3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3.7（c）所示的配置形式中，前后支承均采用角接触球轴承，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4000r/min,但是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3.7(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，安装于调整性能好，但主轴转速和精度的提高收到限制，因此适用于中等精度，低速与重载荷的数