机床数控技术数控机床主运动部件设计JINPPT课件

机床数控技术 2 目录 3 本章知识要点1 熟悉数控机床主运动的传动方式 2 熟悉数控机床主轴的结构形式 3 掌握数控机床主轴轴承的选用及支承方式 4 5 数控机床的主运动部件 主要包括电机 传动部件 主轴 其中 用于数控机床主运动中的传动部件一般有带传动 齿轮传动 联轴器传动 主轴 主轴 主轴伺服电机 传动齿轮 主轴伺服电机 主轴 主轴 8 9 1 调速功能 为了适应不同工件材料 刀具及各种切削工艺的要求 主轴必须具有一定的调速范围 2 功率要求 要求主轴具有足够的驱动功率或输出扭矩 能在整个变速范围内提供切削加工所需的功率和扭矩 特别是满足机床强力切削加工时的要求 10 3 精度要求 主要指主轴的回转精度 回转精度包括径向圆跳动 端面圆跳动和倾角摆动三种基本要求 同时 要求主轴有足够的刚度 抗振性及较好的热稳定性 4 动态响应性能 要求升降速时间短 调速时运转平稳 对需同时能实现正反转切削的机床 则还要求换向时可进行自动加减速控制 11 12 机床主运动系统的参数有动力参数和运动参数 动力参数是指主运动驱动电机的功率 运动参数是指主运动的变速范围 1 主传动功率 数控机床的主运动要求有较大的调速范围 以保证加工时能选用合理的切屑用量 从而获得最佳的生产率 加工精度和表面质量 为了适应各种工件和各种工件材料的要求 数控机床和加工中心主运动的调速范围应进一步扩大 机床主传动的功率P可根据切削功率Pc与主运动传动链的总效率 由下式来确定 13 数控机床的加工范围一般都比较大 切削功率Pc可根据有代表性的加工情况 由其主切削抗力Fz按下式来确定 Fz 主切削力的切向分力 N 切削速度 m min M 切削扭矩 N cm n 主轴转速 r min 主传动的总效率一般可取为 0 75 0 85 数控机床的主传动多用调速电机和有限的机械变速传动来实现 传动链较短 因此 效率可取较大值 14 2 主传动的调速范围 主运动为旋转运动的机床 主轴转速n由切削速度 m min 和工件或刀具的直径d mm 来确定 对于数控机床 为了适应切削速度和工件或刀具直径的变化 主轴的最低和最高转速可根据下式确定 r min r min 15 2 主传动的调速范围 最高转速与最低转速之比称为调速范围Ra 数控机床与普通机床相同 它的加工范围较广 因此 切削速度和刀具或工件直径的变化也很大 可以根据机床的几种典型加工和经常遇到的加工情况来决定 max min及dmax dmin 16 17 现代数控饥床的主运动系统广泛采用交流调速电机或直流调速电机作为驱动元件 随着电机性能的日趋完善 能方便地实现宽范围的无级变速 且传动链短 传动件少 变速的可靠性能高 数控机床的主传动方式主要有三种 1 带有二级齿轮变速的主传动方式 18 主轴电机经过二级齿轮变速使主轴获得低速和高速两种转速系列 1 带有二级齿轮变速的主传动方式 这种分段无级变速 确保低速时大扭矩 满足机床对主轴输出扭矩特性的要求 是大中型数控机床较常采用的配置方式 滑移齿轮的移位大都采用液压拨叉或直接由液压缸带动齿轮来实现 19 2 通过定比传动的主传动方式 主轴电机经定比传动传递给主轴 定比传动采用齿轮传动或带传动 带传动方式主要应用于小型数控机床上 可以避免齿轮传动的噪声与振动 20 3 由主轴电机直接驱动的主传动方式 这种主传动类型又分两种 一种如图 d 所示 主轴电动机输出轴通过精密联轴器与主轴连接 其优点是结构紧凑 传动效率高 但是主轴转速的变化及转矩的输出完全与电动机的输出特性一致 因而在使用上受到一定限制 另一种为内装电动机主轴 简称电主轴 即主轴与电动机转子合为一体 其优点是省去了中间的所有传动环节 主轴组件结构紧凑 重量轻 惯性小 可以提高启动 停止的响应特性 并利于控制振荡和噪声 缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形 21 22 主轴组件由主轴及其支承轴承 传动件 定位元件等组成 主轴组件是主运动的执行件 是机床重要的组成部分 功用 缩小主运动的传动误差并将运动传递给工件或刀具进行切削 形成表面成形运动 承受切削力和传动力等载荷 主轴组件直接参与切削 其性能影响加工精度和生产率 因而是决定机床性能和经济性指标的重要因素 23 4 4 1主轴组件应满足的基本要求1 旋转精度主轴的旋转精度是机床几何精度的组成部分 旋转精度是指主轴组件装配后 静止或低速空载状态下 刀具或工件安装基面上的全跳动值 径向和轴向跳动 它取决于主轴 主轴的支承轴承 箱体孔等的制造精度 装配和调整精度 24 2 静刚度 简称为刚度 是主轴组件在静载荷作用下抵抗变形的能力 通常以主轴端部产生单位位移弹性变形时 位移方向上所施加的力表示 当外伸端受径向作用力F N 受力方向上的弹性位移为 m 时 主轴的刚度为 4 4 1主轴组件应满足的基本要求 25 主轴组件刚度与主轴自身的刚度和支承轴承的刚度相关 主轴自身的刚度取决于主轴的惯性矩 主轴端部的悬伸量和支承跨距 支承轴承刚度由轴承的类型 精度 安装形式 预紧程度等因素决定 主轴组件简图 4 4 1主轴组件应满足的基本要求 26 3 动刚度动态刚度 机床在额定载荷下切削时 主轴组件抵抗变形的能力 主轴组件的动刚度直接影响加工精度和刀具的耐用度 是机床重要的性能指标 动态刚度与静刚度成正比 在共振区 与阻尼 振动的阻力 近似成正比 可通过增加静刚度 增加阻尼比来提高动刚度 4 4 1主轴组件应满足的基本要求 27 4 温升与热变形主轴组件工作时 轴承的摩擦形成热源 切削热和齿轮啮合热的传递 导致主轴部件温度升高 产生热变形 主轴热变形可引起轴承间隙变化 轴心位置偏移 定位基面的形状尺寸和位置产生变化 润滑油温度升高后 粘度下降 阻尼降低 因此主轴组件的热变形 将严重影响加工精度 数控机床在解决升温时 一般采用恒温主轴箱 4 4 1主轴组件应满足的基本要求 28 5 精度保持性 耐磨性 主轴组件的精度保持性是指长期保持其原始制造精度的能力 主轴组件主要的失效形式是磨损 所以精度保持性又称为耐磨性 主要磨损有 主轴轴承的疲劳磨损 主轴轴颈表面 装卡刀具的定位基面的磨损等 磨损的速度与摩擦性质 摩擦副的结构特点 摩擦副材料的硬度 摩擦面积 摩擦面表面精度 以及润滑方式等有关 为了提高耐磨性 主轴上易磨损部位应该淬硬 或者经过氮化处理 以提高其硬度增加耐磨性 主轴轴承也需有良好的润滑 提高其耐磨性 4 4 1主轴组件应满足的基本要求 29 4 4 2主轴组件的类型按运动方式分为4类 1 只做旋转运动的主轴组件 车床 铣床和磨床等主轴组件属于这一类 2 既有旋转运动又有轴向进给运动的主轴组件钻床和镗床等主轴组件 主轴组件和轴承装在套筒内 主轴在套筒内做旋转主运动 套筒在主轴箱的导向孔内做直线运动 3 既有旋转运动又有轴向调整移动的主轴组件 滚齿机 部分立式铣床 4 既有旋转运动又有径向进给运动的主轴组件 卧式镗床的平旋盘主轴组件 组合机床的镗孔车端面头主轴组件 30 4 4 3主轴1 主轴的结构及材质选择 1 主轴的端部安装夹具和刀具 随夹具和刀具的标准化 主轴端部已有统一标准 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 31 4 4 3主轴 1 主轴端部的结构形状图为铣 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 32 4 4 3主轴 1 主轴端部的结构形状 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 33 4 4 3主轴 2 主轴为外伸梁 承受的载荷从前往后依次降低 故主轴常为阶梯形 数控车床 加工中心等机床 为通过棒料或拉紧刀具 主轴为阶梯形空心轴 34 3 主轴的载荷相对较小 一般情况下 引起的应力远小于钢的屈服强度 因此 机械强度不是选择主轴材料的依据 当主轴的直径 支承跨距 悬伸量等尺寸参数一定时 主轴的惯性矩为定值 主轴的刚度取决于材料的弹性模量 但各种钢材的弹性模量 几乎没什么差别 因此刚度也不是主轴选材的依据 4 4 3主轴 35 主轴的材料 只能根据耐磨性 热处理方法及热处理后的变形大小来选择 耐磨性取决于硬度 故机床主轴材料为淬火钢或渗碳淬火钢 高频淬硬 普通机床主轴 一般采用45或60号优质结构钢 主轴支承轴颈及装卡刀具的定位基面 高频淬火 硬度为50 55HRC 精密机床主轴 可采用40Cr高频淬硬或低碳合金钢 如20Cr 16MnCr5 渗碳淬火 硬度不低于60HRC 高精度机床主轴 可采用65Mn 淬硬52 58HRC 4 4 3主轴 36 4 4 4主轴轴承1 轴承的选择机床主轴最常用的轴承是滚动轴承 这是因为 1 适度预紧后 滚动轴承有足够的刚度 有较高的旋转精度 能满足机床主轴的性能要求 能在转速和载荷变化幅度很大的条件下稳定工作 2 由专门生产厂大批量生产 质量稳定 成本低 经济性好 特别是轴承行业针对机床主轴的工作性质 研制生产了NN3000K 234400及Gamet 加梅 轴承 更使滚动轴承占稳主轴轴承的主导地位 3 滚动轴承容易润滑 37 滚动轴承与滑动轴承相比 缺点为 滚动体的数量有限 因此滚动轴承旋转中的径向刚度是变化的 滚动轴承摩擦力大 摩擦系数为 阻尼比小 滚动轴承的径向尺寸较大 因此 在动刚度性能高的卧式精密机床 如 外圆磨床 卧轴平面磨床 精密车床 中 滑动轴承仍有一定应用领域 主轴组件的抗振性主要取决于前轴承 因而 有的机床前支承采用滑动轴承 后支承采用滚动轴承 4 4 4主轴轴承 38 2 主轴滚动轴承的类型选择机床主轴较粗 主轴轴承的直径较大 轴承所承受的载荷远小于其额定动载荷 约为1 10 因此 一般情况下 承载能力和疲劳寿命不是选择主轴轴承的主要依据 主轴轴承 应根据刚度 旋转精度和极限转速来选择 4 4 4主轴轴承 39 轴承的刚度与轴承的类型有关 线接触的滚子轴承比点接触的球轴承刚度高 双列轴承比单列的刚度高 且刚度是载荷的函数 适当预紧不仅能提高旋转精度 也能提高刚度 4 4 4主轴轴承 轴承的极限转速与轴承滚动体的形状有关 同等尺寸的轴承 球轴承的极限转速高于滚子轴承 圆柱滚子轴承的极限转速高于圆锥滚子轴承 同一类型的轴承 滚动体的分布圆越小 滚动体越小 极限转速越高 40 3 轴承的精度选择轴承的精度 应采用P2 P4 P5级和SP UP级 SP UP级轴承的旋转精度相当于P4 P2 内外圈的尺寸精度比旋转精度低一级 相当于P5 P4级 这是因为轴承的工作精度主要取决于旋转精度 主轴支承轴颈和箱体轴承孔可按一定配合要求配作 适当降低轴承内外圈的尺寸精度可降低成本 4 4 4主轴轴承 轴承的轴向承载能力和刚度 由强到弱依次为 推力球轴承 推力角接触球轴承 圆锥滚子轴承 角接触球轴承 承受轴向载荷轴承的极限转速由高到低为 角接触球轴承 推力角接触球轴承 圆锥滚子轴承 推力球轴承 41 4 4 4主轴轴承 4 常用的主轴轴承 42 4 4 4主轴轴承 5 主轴轴承的配置 合理配置轴承 可以提高主轴精度 降低温升 简化支承结构 在数控机床上配制轴承时 前后轴承都应能承受径向载荷 支承间的距离要选择合理 并根据机床的实际情况配制轴向力的轴承 1 图a所示的结构配置形式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 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 所以目前各类中速数控机床的主轴普遍采用这种配置形式 43 4 4 4主轴轴承 5 主轴轴承的配置 2 在图 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 3 在图 c 所示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 这种配置适用于高速 轻载荷精密的数控机床主轴 44 4 4 4主轴轴承 5 主轴轴承的配置 4 在图 d 所示前支承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 这种配置可承受重载荷和较强的动载荷 安装与调整性能好 但主轴转速和精度的提高受到限制 适用于中等精度 低速与重载荷的数控机床主轴 45 46 在高速加工机床上 大多数使用电动机转子和主轴一体的电主轴 可以使主轴达到每分钟数万转 甚至十几万转的高速 主轴传动系统的结构更简单 刚性更好 1 电主轴的主要组成 47 2 电主轴工作原理电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上 定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内 形成一个完整的主轴单元 通电后转子直接带动主轴运转 48 3 电主轴的特点 1 由内装式电机直接驱动 省去了中间传动环节 具有结构紧凑 机械效率高 噪声低 振动小和精度高等特点 2 可在额定转速范围实现无极调速 3 可实现精确的主轴定位及C轴传动功能 4 更易实现高速化 动态精度和动态稳定形更好 5 由于没有中间传动环节的外力作用 运行更平稳 从而使主轴轴承的寿命得到延长 6 电机的发热和振动直接影响主轴的精度 因此主轴运动组件的整机平衡 温度控制和冷却成为了使用电主轴的关键 49 4 电主轴的关键技术 电主轴 的概念不应简单理解为只是一根主轴套筒 而应该是一套组件 包括 定子 转子 轴承 高速变频装置 润滑装置 冷却装置等 因此电主轴是高速轴承技术 润滑技术 冷却技术 动平衡技术 精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用 1 电主轴的高速轴承技术实现电主轴高速化精密化的关键是高速精密轴承的应用 目前在高速精密电主轴中应用的轴承有精密滚动轴承 液体动静压轴承 气体静压轴承和磁悬浮轴承等 但主要是精密角接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚子轴承 液体动静压轴承的标准化程度不高 气体静压轴承不适合于大功率场合 磁悬浮轴承由于控制系统复杂 价格昂贵 其实用性受到限制 角接触球轴承不但可同时承受径向和轴向载荷 而且刚度高 高速性能好 结构简单紧凑 品种规格繁多 便于维修更换 因而在电主轴中得到广泛的应用 目前随着陶瓷轴承技术的发展 应用最多的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承 50 4 电主轴的关键技术 2 电主轴的润滑技术高速电主轴必须采用合理的 可控制的轴承润滑方式来控制轴承的温升 以保证数控机床工艺系统的精度和稳定性 采用滚动轴承的电主轴的润滑方式目前主要有脂润滑 油雾润滑和油气润滑等方式 脂润滑在转速相对较低的电主轴中是较常见的润滑方式 脂润滑型电主轴的润滑系统简单 使用方便 无污染 通用性强 油雾润滑具有润滑和冷却双重作用 油雾润滑所需设备简单 维修方便 价格比较便宜 是一种普遍使用的高速电主轴润滑方式 但它有污染环境 油耗比较高等缺点 油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地 精确地供给每一套主轴轴承 微小油滴在滚动和内 外滚道间形成弹性动压油膜 而压缩空气则可带走轴承运转所产生的部分热量 实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的 而前两种润滑方式均无法准确地控制供油量多少 不利于主轴轴承转速和寿命的提高 油气润滑方式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量 可靠性极高 实践证明 油气润滑是高速大功率电主轴轴承的最理想润滑方法 但其所需设备复杂 成本高 由于油气润滑方式润滑效果理想 目前已成