文档包括:
说明书一份，71页。23000字。
任务书一份。
开题报告一份。
图纸共22张，如下所示
A0-装配图.dwg
A1-主轴.dwg
A2-垂直丝杠.dwg
A2-大带轮.dwg
A3-小带轮.dwg
A3-轴承座.dwg
A4-主轴拨块.dwg
A4-压板.dwg
A4-大带轮挡圈.dwg
A4-套筒 (2).dwg
A4-套筒.dwg
A4-密封套筒.dwg
A4-密封端盖 (2).dwg
A4-密封端盖 (3).dwg
A4-密封端盖.dwg
A4-小带轮挡圈.dwg
A4-带轮盖.dwg
A4-拉杆.dwg
A4-挡油盘 (2).dwg
A4-挡油盘 (3).dwg
A4-挡油盘.dwg
A4-轴承端盖.dwg
目 录
摘要…………………………………………………………………… 1
ABSTRACT……………………………………………………………… 2
0 引言………………………………………………………………… 4
1 概述………………………………………………………………… 5
1.1 加工中心的发展状况…………………………………………… 5
1.1.1 加工中心的国内外发展……………………………………… 5
1.1.2 主轴部件的研究进展………………………………………… 6
1.2 课题的目的及内容……………………………………………… 7
1.3 课题拟解决的关键问题………………………………………… 8
1.4 解决上述问题的策略…………………………………………… 9
2 方案拟定…………………………………………………………… 10
2.1 加工中心主轴组件的组成……………………………………… 10
2.2 机械系统方案的确定…………………………………………… 10
2.2.1 主轴传动机构………………………………………………… 10
2.2.2 主轴进给机构………………………………………………… 12
2.2.3 主轴准停机构………………………………………………… 13
2.2.4 刀具自动夹紧机构…………………………………………… 15
2.2.5 切屑清除机构………………………………………………… 17
2.3 伺服驱动系统方案的确定……………………………………… 18
2.4 加工中心主轴组件总体设计方案的确定……………………… 19
3 主轴组件的主运动部件…………………………………………… 22
3.1 主轴电动机的选用……………………………………………… 22
3.1.1 主电机功率估算……………………………………………… 22
3.1.2 主电机选型…………………………………………………… 23
3.2 主轴……………………………………………………………… 23
3.2.1 主轴的结构设计……………………………………………… 23
3.2.2 主轴受力分析………………………………………………… 27
3.2.3 主轴的强度校核……………………………………………… 32
3.2.4 主轴的刚度校核……………………………………………… 33
3.3 主轴组件的支承………………………………………………… 34
3.3.1 主轴轴承的类型……………………………………………… 34
3.3.2 主轴轴承的配置……………………………………………… 37
3.3.3 主轴轴承的预紧……………………………………………… 38
3.3.4 主轴支承方案的确定………………………………………… 41
3.3.5 轴承的配合…………………………………………………… 41
3.3.6 主轴轴承设计计算…………………………………………… 42
3.4 同步带的设计计算……………………………………………… 44
3.5 主轴组件的润滑与密封………………………………………… 48
3.5.1 主轴组件的润滑……………………………………………… 48
3.5.2 主轴组件的密封……………………………………………… 49
3.5.3 本课题的润滑与密封方案的确定…………………………… 51
3.6 键的设计计算…………………………………………………… 52
3.6.1 主轴上的键…………………………………………………… 52
3.6.2 主电机上的键………………………………………………… 53
3.7 液压缸的设计计算……………………………………………… 54
4 主轴组件的进给运动部件………………………………………… 55
4.1 进给电动机的选用……………………………………………… 55
4.1.1 进给电动机功率的估算……………………………………… 55
4.1.2 进给电动机的选用…………………………………………… 56
4.2 联轴器的设计计算……………………………………………… 57
4.3 垂直方向伺服进给系统的设计计算…………………………… 57
4.3.1 切削力估算…………………………………………………… 57
4.3.2 滚珠丝杠副的设计计算……………………………………… 58
5 结论………………………………………………………………… 65
小结…………………………………………………………………… 68
参考文献……………………………………………………………… 70
附录…………………………………………………………………… 72
译文…………………………………………………………………… 73
原文说明……………………………………………………………… 84
摘 要
加工中心由于备有刀库并能自动更换刀具，使得工件在一次装夹中可以完成多工序的加工。加工中心一般不需要人为干预，当机床开始执行程序后，它将一直运行到程序结束。加工中心还赋予了专业化车间一些诸多优点，如：降低机床的故障率，提高生产效率，提高加工精度，削减废料量，缩短检验时间，降低刀具成本，改善库存量等。由于加工中心的众多优势，所以它深受全球制造企业的青睐。
加工中心主要由主轴组件、回转工作台、移动工作台、刀库及自动换刀装置以及其它机械功能部件组成。其中的主轴组件是机床重要的组成部分，其运动性能直接影响机床加工精度与表面粗糙度。本文在查阅大量国内外文献的基础上，通过研究分析不同加工中心主轴组件的性能，综合地比较了其特点，并拟定了一个较为合理的主轴组件结构方案。同时，还就主轴、轴承以及丝杠等重要零件的机械性能进行了探讨，并对这些零件的刚度和强度进行了校核。此外，本设计中所采用的陶瓷轴承能有效地增加主轴的刚度，从而提高了加工中心的可靠性和稳定性。
关键词：主轴组件，加工中心，数控机床
Spindle unit design of Vertical machining center
ABSTRACT
Machining center evolved from the need to be able to perform a variety of operations and machining sequences on a workpiece on a single machine in one setup. Machining center requires little operator intervention, and once the machine has been set up, it will machine without stopping until the end of the program is reached. Some of the other advantages that machining centers give a manufacturing shop are greater machine uptime, increased productivity, maximum part accuracy, reduced scrap, less inspection time, lower tooling costs, less inventory and so on. Because of their many advantages, machining centers become widely accepted by manufacturing enterprises in the world.
Machining centers are equipped with spindle units, rotary workbench, moving workbench, tool magazines and automatic tool changers, and other mechanical function components. Spindle unit is the important motion part of the metal cutting machine tool. Its movement behavior affects the machining accuracy and surface roughness of part to be machined. Through referring to a variety of technical literatures, the characteristics of some kinds of spindle units are compared with each other based on analysis and research work on different machining centers. A reasonable scheme can be studied out. Meanwhile, the mechanical behaviors of principle parts such as the spindle, bearings and lead screw are discussed. Their rigidity and strength are calculated and examined here. Morever, a kind of advanced ceramic bearings is introduced into the spindle unit, which can effectively enhance the rigidity of spindle units. They will improve the reliability and stability of machining centers.
Key words：spindle unit，machining center，NC machine tool
一、题目来源、目的、意义
题目来源：本课题来源于同济现代制造技术研究所，是立式加工中心机床设计
项目下的子课题之一。
目的：课题的目的是设计立式加工中心的主轴组件结构，主轴组件作为执行件，
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。
意义：主轴组件作为机床的一个重要组件，要带动刀具直接参与表面成形运动，
其工作性能对机床的加工质量及生产率有直接影响。
二、主要工作内容
（1）熟悉现有的各种主轴组件的要求和特点；
（2）完成主轴组件的设计总图；
（3）设计分析计算工作；
（4）主轴等主要零件的零件图绘制；
（5）主轴组件各部分的综合分析。
三、主要技术指标（或主要论点）
立式加工中心的特点是结构简单，占地面积小。总体结构方案的结构形式
为固定立柱式，即主轴箱吊挂在立柱的一侧，作Z方向的上下移动。
主轴孔锥度：7：24；主轴孔直径：54mm；主轴箱行程（Z轴）：470mm；
主轴转速范围：30?3000r/mm；快速移动速度（Z轴）：10m/min；
进给速度（Z轴）：1?400mm/min。
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。
五、主要参考资料（外文资料至少一篇）
1、谢红.数控机床机器人机械系统设计指导[M].上海：同济大学出版社，2004.
2、韩鸿鸾.数控机床的机械结构与维修[M].山东：山东科学技术出版社，2005.
3、罗学科,等.数控原理与数控机床[M].北京：化学工业学出版社，2004.
4、周宏甫.数控技术[M].广州：华南理工大学出版社，2005.
5、陈蔚芳,等.机床数控技术及应用[M].北京：科学出版社，2005.
6、王仁诚.加工中心主轴系统的设计[J] .钻镗床，2000,(1)：43?47.
7、Purdum.T.. Machine tools re-discover gravity[J]. Industry Week, 2004, 253(12): 93-96.
8、李佳.数控机床及应用[M].北京：清华大学出版社，2001.
9、娄锐.数控应用关键技术[M].北京：电子工业出版社，2005.
10、吴祖育等. 数控机床[M].上海：上海科学技术出版社，2000.
立式加工中心主轴组件的结构设计
1 综述
1.1 本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、动力及承受切削力等，并需满足相关的技术指标要求。
1.2 本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
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。
1.3 加工中心的发展状况
1.3.1 加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 以上，最高已达到 。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 ，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 ，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 。国外先进的加工中心的刀具交换时间，目前普遍已在 左右，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 以下，定位精度可控制在 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。
国内生产的高速加工中心快速进给大多在 左右，个别达到 。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 ，定位精度控制在 之内，重复定位精度控制在 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 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]。
1.3.2 本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1.1所示为立式加工中心结构图。
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
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TiN或CrNi金属。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 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 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]。
2 方案论证
2.1 主轴
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、GCr15等，须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2.1所示为几种机床上通用的结构形式。
(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2.1 机床主轴轴端形式
2.2 主轴组件的支承
2.2.1 主轴轴承的类型
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。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2.2所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2.2 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2.1。
表2.1 数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 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
2.2.2 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2.3所示的几种形式。
(a) (b)
(c) (d)
图2.3 数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60o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 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 ，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，低速与重载荷的数控机床主轴[13～15]。
2.2.3 主轴轴承的预紧
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2.4所示为几种轴承内圈的预紧形式。
(a) (b)
(c) (d)
图2.4 轴承的预紧形式
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2.5所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2.5 修磨轴承座圈
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2.6所示[12,15,17]。
(a) (b)
图2.6 隔套调整法
2.3 主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。
2.3.1 主轴组件的润滑
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 ，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
在数控机床主轴上，有采用油液循环润滑方式的。装有gamet轴承的主轴，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2.7所示是恒温油液循环润滑冷却方式。
图2.7 恒温冷却主轴箱
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 油)润滑轴承，以抑制轴承发热。其润滑原理如图2.8所示。
图2.8 油气润滑原理图
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]。
2.3.2 主轴组件的密封
主轴的密封有接触式密封和非接触式密封。图2.9是几种非接触密封的形式。
(a) (b) (c)
图2.9 非接触式密封
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2.10所示[12]。
(a) (b)
图2.10 接触式密封
1—甩油环 2—油毡圈 3—耐油橡胶密封圈
2.4 主轴准停装置
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]。
目前常采用的电气方式是用磁力传感器检测定向，其工作原理如图2.11。
图2.11 电气式主轴准停
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 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]。
2.5 切屑清除机构
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]。
2.6 本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2.12所示为铣床主轴的轴端形式。
图2.12 铣床主轴的轴端形式
主轴轴承是主轴组件的重要部分之一。本课题采用如图2.13所示的轴承配置形式。
图2.13 主轴轴承的配置形式
在此种配置形式中，前后支承均采用成对角接触球轴承，由于角接触球轴承能承受径向载荷也能承受轴向载荷，并且可以通过内外围之间的相对位移来调整其间隙的大小，同时角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达 [18]，因此此种配置在轻载时应用广泛。
在本课题中，轴承的预紧形式将采用隔套调整法，此方法采用两个套调整，通过两个套的宽度差，调整轴承的间隙，或在轴承外圈设隔套，装配时用螺母并紧内圈获得所需预紧力。这种调整方法不必拆卸轴承，预紧力的大小全凭工人的经验确定。
本课题中主轴组件的润滑方式采用油脂润滑方式，润滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要经常更换，而且密封也较简单，特别适用于立式或套筒式主轴部件，可防止漏油。这也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。在数控机床上的润滑一般采用高级油脂封入方式润滑，所用油脂种类为高级锂基油脂或德国产NBU-15型油脂，每加一次油脂可使用 年。
由于本课题采用油脂润滑方式，密封主要是防止外界异物进入，所以可采用间隙式或迷宫式密封装置。本课题采用径向迷宫式密封。如图2.14所示为径向迷宫式密封装置。
图2.14 径向迷宫式密封
迷宫式密封是在组件的转动和固定部分之间做成复杂而曲折的通道，间隙不超过 ，并填满润滑脂。由于这种密封方法能有效地保护轴承，所以得到广泛应用[16]。
主轴准停方式采用电气方式。此方式结构简单，定位准确，能够很好的达到要求的定位精度。
切屑清除机构则采用压缩空气吹屑，此方式结构简单，并且能高效清除金属残屑。
综合以上各部件的特点，现初步确定加工中心主轴组件的传动方案如图2.15所示。
图2.15 主轴组件传动示意图
1—主轴 2—传动轴 3—Z轴滚珠丝杠 4—主轴准停插销
5—Z轴进给电机 6—主轴转角位置编码器 7—齿形带传动
8—三角带传动 9—主电机 10—传至大箱体升降丝杠齿形带
11、12—电磁离合器 13—花键轴 14—大箱体 15—主轴头
2.7 进度计划
第1周?第3周： 查阅资料，翻译英文资料，攥写开题报告；
第4周?第6周： 查阅资料，进行主轴组件的结构设计；
第7周?第9周： 结构分析与验算；
第10周?第14周：计算机绘制结构设计图纸；
第15周?第16周：编写毕业设计说明书；
第17周?第18周：评审、答辩。
参考文献
[1] 李洪．实用机床设计手册[M]．沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.
[2] 廖勇，黄容申．数控机床发展现状及趋势．重庆石油高等专科学报[J]，2002， 4（2）：25～26
[3] 陈循介．从日本2001年机电一体化展看机床发展新动向．精密制造与自动化[J]，2002（1）：4～5
[4] 张育生．从第六届中国国际机床展览看机床发展趋势．制造技术与机床[J]，2000（5）：9～10
[5] Krar Stephen F.，Gill Arthur，Smid Peter．Computer numerical control simplified[M]．New York：Industrial Press，2001.
[6] 范真．加工中心[M]．北京：化学工业出版社，2004.
[7] 沙杰等．加工中心结构、调试与维护[M]．北京：机械工业出版社，2003.
[8] 廉元国，张永洪．加工中心设计与应用[M]．北京：机械工业出版社，1995.
[9] 李思桥．数控机床与应用[M]．北京：北京大学出版社，2006.
[10] 周宏甫．数控技术[M]．广州：华南理工大学出版社，2005.
[11] 熊光华．数控机床[M]．北京：机械工业出版社，2001.
[12] 林宋，田建君．现代数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.
[13] 李雪梅．数控机床[M]．北京：电子工业出版社，2005.
[14] 周兰，常晓俊．现代数控加工设备[M]．北京：机械工业出版社，2005.
[15] 李善术．数控机床及应用[M]．北京：机械工业出版社，2005.
[16] 罗学科，谢富春．数控原理与数控机床[M]．北京：化学工业出版社，2003.
[17] 田坤．数控机床与编程[M]．武汉：华中科技大学出版社，2001.
[18] 陈蔚芳．机床数控技术及应用[M]．北京：科学出版社，2005.
[19] 韩鸿鸾．数控机床的机械结构与维修[M]．山东：山东科学技术出版社，2005.
[20] 中国机械工业教育协会组．数控机床及其使用维修[M]．北京：机械工业出版社，2001.
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
.gif)
川公网安备: 51019002004831号