数控机床主轴结构与调整

机电设备机械结构故障诊断及维护——主轴传动系统进给传动系统机床导轨

主讲：高锦南

一、数控车床主轴部件的结构与调整（1)主轴部件结构

CK7815型数控车床主轴部件结构如图所示，该主轴工作转速范围为15-5000r/min。主轴9前端采用三个角接触轴承12，通过前支承套14支套，由螺母11预紧。后端采用圆柱滚子轴承15支承径向间隙由螺母3和螺母7调整。螺母8和螺母10分别用来锁紧螺母7和螺母11，防止螺母7和11的回松。带轮2直接安装在主轴9上（不卸荷）。同步带轮1安装在主轴9后端支承与带轮之间，通过同步带和安装在主轴脉冲发生器4轴上的另一同步带轮相连，带动主轴脉冲发生器4和主轴同步运动。在主轴前端，安装有液压卡盘或其他夹具。CK7815型数控车床主轴部件结构图知识拓展角接触球轴承可以同时承受径向载荷和轴向载荷，也可以承受纯轴向载荷，其轴向载荷能力由接触角仅（载荷作用线与轴承径向平面之间的夹角）决定，接触角越大，承受轴向载荷的能力也越大。角接触球轴承的装球数量比深沟球轴承多，因而载荷容量在球轴承中最大，刚性也大，且可预凋，工艺性好，公差等级是球轴承中最高的类型之一，尤其适用于高速、高精度的场合。

此类轴承适用于支承间距不大，双支承轴上，如机床主轴，尤其是磨床砂轮轴，内燃机液力变速箱、蜗杆减速器、电钻、离心机和增压器等。2、

加工中心主轴部件的结构与功能行程开关弹簧压缩空气管接头钢球端面键液压缸液压缸碟形弹簧拉杆主轴刀柄拉钉行程开关加工中心主轴部件的结构如图所示，主轴前端有7：24的锥孔，用于装夹锥柄刀具。端面键13既作刀具定位用，又可通过它传递转矩。为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。从图中可以看出，该机床是由拉紧机构拉紧锥柄刀夹尾端的轴颈来实现刀夹的定位及夹紧的。1、夹紧刀夹时，液压缸上腔接通回油，弹簧11推活塞6上移，处于图示位置，拉杆4在碟形弹簧5的作用下向上移动。2、装在拉杆前端径向孔中的4个钢球12进人主轴孔中直径较小的d2处被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。3、换刀前需将刀夹松开时，压力油进入液压缸上腔，活塞6推动拉杆4向下移动，碟形弹簧被压缩；4、当钢球12随拉杆一起下移至进人主轴孔中直径较大的d1，处时，它就不再能约束拉钉的头部，紧接着拉杆前端内孔的台肩端面碰到拉钉，把刀夹顶松，此时行程开关10发出信号，换刀机械手随即将刀夹取下。5、压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹人主轴装刀孔内，把切屑或脏物清除干净，以保证刀具的装夹精度。机械手把新刀装上主轴后，液压缸7接通回油，碟形弹簧又拉紧刀夹。刀夹拉紧后，行程开关8发出信号。加工中心主轴刀柄刀柄拉钉3、数控机床主轴维护特点（1）、主轴润滑

保证主轴有良好的润滑，减少摩擦发热，同时又能把主轴组件的热量带走，通常采用的是循环润滑系统。有两种方式：1）油气润滑方式定时定量的把油雾送进轴承空隙中2）喷注润滑方式用较大流量的恒温油喷注到主轴轴承上，达到润滑、冷却的目的。（2）防泄漏图中(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；图中(b)是在螺母2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；图中(c)是迷宫式密封结构，在切屑多，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。卧式加工中心主轴前支承处采用的双层小间隙密封装置。主轴前端车出两组锯齿形护油槽，在法兰盘4和5上开沟槽及泄漏孔，当喷人轴承2内的油液流出后被法盘4内壁挡住，并经其下部的泄油槽9和套筒3上的回油斜孔8流回箱，少量油液沿主轴6流出时，主轴护油槽在离心力的作用下被甩至法兰盘4的沟槽内，经回油斜孔8重新流回油箱，达到了防止润滑介质泄漏的目的。拓展知识1、电主轴功能及结构数控机床为了实现高速、高效、高精度的加工，要采用特定的主轴功能部件．并且要具有大功率、宽调速范围的特性。最适合高速运转的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装人主轴单元内部（称之为电主轴），通过交流变频控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩。电主轴结构紧凑、速度快、转动效率高，取消了传动带、带轮和齿轮等环节，实现“零传动”，大大减少了主传动的转动惯量，提高了主轴动态响应速度和工作精度，彻底解决了主轴高速运转时传动带和带轮等传动件的振动和噪声问题。以往电主轴主要用于轴承行业的高速内圆磨削，随着数控技术和变频技术的发展，电主轴在数控机床中的应用越来越广泛，不仅在高速切削机床上得到广泛应用，也应用于对工件加工有高效率、高表面质量要求的场合以及小孔的加工。

一般主轴转速越高，，加工的表面质量越好，尤其是对于直径为零点几毫米的小孔，采用高转速的主轴有利于提高内孔加工质量。2、电主轴的主要技术特点高速轴承技术高速电机技术润滑冷却装置内置脉冲编码器自动换刀装置高速刀具的装夹方式高频变频装置二、机床进给系统机床进给系统的概述1滚珠丝杠螺母机构2滚珠丝杠副的选型3滚珠丝杠副的安装与使用4典型进给传动系统1.1机床对进给系统的基本要求:

为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，提出如下要求：

1)提高传动部件的刚度

2)减小传动部件的惯量

3)减小传动部件的间隙

4)减小系统的摩擦阻力1、机床进给系统的概述1.2机床进给系统的传动类型:a.机械进给传动

b.液压进给传动

c.电气伺服进给传动1.3电气伺服进给系统:

控制类型：开环系统、闭环系统、半闭环系统；

驱动部件：步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机、直线伺服电动机；机械传动部件：齿轮（或同步齿轮带）、滚珠丝杠螺母传动副1、机床进给系统的概述2.1滚珠丝杠螺母副的结构原理：在丝杠和螺母上都装有半圆弧形的螺旋槽，当它们套装在一起时便形成了滚珠的螺旋滚道。螺母上有滚珠回路管道，将几圈螺旋滚道的两端连接起来，构成封闭的循环滚道，并在滚道内装满滚珠。当丝杠相对于螺母旋转时，两者发生轴向位移，而滚珠则可沿着滚道流动。2、滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠副结构原理图

2、滚珠丝杠螺母副机构滚珠丝杠螺母副螺纹滚道型面的截形a—单圆弧型面；b—双圆弧型面ab2.2滚珠丝杠螺纹滚道型面的形状国内投产的螺纹滚道型面的形状，仅有单圆弧型面和双圆弧型面两种。如图所示，滚珠与滚道型面接触点法线与丝杠轴线的垂直线间夹角称为接触角β。2.3滚珠丝杠螺母副的结构类型2、滚珠丝杠螺母副机构外循环式滚珠丝杠结构

1）外循环方式：滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管，返回丝杠螺母间重新进入循环。

内循环式滚珠丝杠结构

2）内循环方式：主要靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道，使滚珠成单圈循环。反向器的数目与滚珠圈数相等。2.4滚珠丝杠螺母副的特点:2、滚珠丝杠螺母副机构与传统的滑动丝杠螺母副比较，滚珠丝杠螺母副具有以下优点：（1）传动效率高，摩擦损失小。（2）运动平稳无爬行。（3）传动精度高，反向时无空程。（4）磨损小，精度保持性好，使用寿命长。（5）具有运动的可逆性。滚珠丝杠副的缺点是：（1）制造成本高。（2）由于不能自锁，因此必须增加制动装置。2.5滚珠丝杠副的制动装置2、滚珠丝杠螺母机构电磁制动器示意图1—旋转变压器2—测速发电机转子3—测速发电机定子4—电刷5—永久磁铁6—伺服电动机转子7—电磁线圈8—外齿轮9—内齿轮3、滚珠丝杠副的选型与计算计算基本动态额定负载设定螺距容许轴向载荷、危险速度校核精度等级、刚度主要计算部分设定使用条件选型步骤确定滚珠丝杠的选型润滑、防尘滚珠丝杠的选型与计算步骤3.1“使用条件”主要研讨内容:3、滚珠丝杠副的选型与计算1）工件与工作台的重量2）最大行程3）最大进给速度4）安装状态（水平、垂直）5）希望寿命6）安装支撑方法7）丝杠与电机的连接方式8）精度要求9）工作环境等3.1.1滚珠丝杠的支撑方法:3、滚珠丝杠副的选型与计算滚珠丝杠的支撑方式(a)仅一端装推力轴承;(b)一端装推力轴承，另一端装深沟球轴承；(c)两端装推力轴承;(d)两端装推力轴承和深沟球轴承3、滚珠丝杠副的选型与计算3.1.2

滚珠丝杠副与驱动电机的联接形式主要有：

a.联轴器直接联接；b.通过齿轮联接；c.通过同步齿形带联接a.联轴器直接联接b.通过齿轮联接c.通过同步齿形带联接1—脉冲编码器；2—齿形带轮；3—齿形带；4—滚珠丝杠；5—伺服电动机3.1.3滚珠丝杠的精度等级3、滚珠丝杠副的选型与计算按JB/T3162.2—1991的规定，滚珠丝杠副的精度等级分为1、2、3、4、5、7、10七个等级，1级精度最高，依次递减，数控机床主要采用1—4级。

滚珠丝杠副的精度包括各元件的精度和装配后的综合精度，其中包括导程误差、丝杠大径对螺纹轴线的径向圆跳动、丝杠和螺母表面粗糙度、有预加载荷时螺母安装端面对丝杠螺纹轴线的圆跳动、有预加载荷时螺母安装直径对丝杠螺纹轴线的径向圆跳动以及滚珠丝杠名义直径尺寸变动量等。3.2滚珠丝杠计算部分主要考虑的内容3、滚珠丝杠副的选型与计算计算基本动态额定负载设定螺距容许轴向载荷、危险速度校核精度等级、刚度主要计算部分螺距、丝杠轴公称外径、螺母形式需要考虑内容轴向平均负载与平均转速、寿命预测、容许转速容许轴向载荷、轴端形状、丝杠长度、容许转速（危险速度）精度等级的校核、进给丝杠的刚度、滚珠丝杠轴向间隙的调整3、滚珠丝杠副的选型与计算3.2.1主要涉及的参数：

a.螺距

b.丝杠长度

c.丝杠的公称直径

d.容许速度

e.轴向载荷3、滚珠丝杠副的选型与计算a.螺距：

丝杠的螺距为驱动电机的最大转速与快速进给速度的比值。常见螺距有1、2、4、6、8、10、16、20、25、32、40等。b.滚珠丝杠长度：滚珠丝杠全长=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一般+裕量）。

c.丝杠的公称直径：常见规格:12、14、16、20、25、32、40、50、63、80、100、120等。推荐：尽量选16~63。3、滚珠丝杠副的选型与计算

d.容许速度3、滚珠丝杠副的选型与计算e.轴向载荷3、滚珠丝杠副的选型与计算3.2.2滚珠丝杠轴向间隙的调整：

为了保证滚珠丝杠副的反向传动精度和轴向刚度，必须消除轴向间隙。除个别用单螺母消除间隙外，滚珠丝杠螺母副常用双螺母预紧消隙。双螺母预紧消隙主要有：a.双螺母垫片调隙式结构b.双螺母螺纹调隙式结构c.双螺母齿差调隙式结构3、滚珠丝杠副的选型与计算a.双螺母垫片调隙式结构调整垫片厚度使左、右两螺母产生轴向相对位移，即可消除间隙和产生预紧力。特点：这种调隙方式能精确地调整预紧量，结构简单，刚度高，工作可靠，但调整不方便，滚道磨损时不能随时进行调整。

双螺母垫片调隙式结构3、滚珠丝杠副的选型与计算b.双螺母螺纹调隙式结构旋转圆螺母时，即可消除轴向间隙，并可达到产生预紧力的目的。调整好后再用另一个预紧螺母把它锁紧。特点：这种调隙方式结构简单，调整方便，滚道磨损时可随时进行调整，但预紧量不很准确。

双螺母螺纹调隙式结构1—圆螺母；2—锁紧螺母3、滚珠丝杠副的选型与计算c.双螺母齿差调隙式结构在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量s=（1/z1-1/z2)Pn。特点：这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。

双螺母齿差调隙式结构3.3滚珠丝杠的润滑与防尘3、滚珠丝杠副的选型与计算

3.3.1滚珠丝杠的润滑滚珠丝杠的润滑所使用的润滑剂可分润滑油和润滑脂两大类。

1）润滑油：为一般机油或90号—180号透平油、140号或N15主轴油，通过壳体上的油孔注入螺母的内部。

2）润滑脂：一般采用锂基润滑脂，通常加在螺纹滚道和安装螺母的壳体空间内。3.3.2滚珠丝杠的防尘滚珠丝杠常用防尘密封圈和防护罩。1）密封圈密封圈装在滚珠螺母的两端。分接触式和非接触式。2）防护罩防护罩能防止尘土及硬性杂质等进入滚珠丝杠。防护罩的形式有锥形套管、伸缩套管、也有折迭式（手风琴式）的塑料或人造革防护罩。4、滚珠丝杠副的安装与使用4.1滚珠丝杠螺母副的安装

正确的安装是有效维护的前提。因此，滚珠丝杠螺母副安装到机床时，应注意以下几点：

1）丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线；

2）安装螺母时，尽量靠近支撑轴承；

3）安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位；

4）滚珠丝杠安装到机床时，不能直接把螺母从丝杠上卸下来。如须卸下来时要使用辅助套，否则装卸时滚珠有可能脱落。4、滚珠丝杠副的安装与使用4.2滚珠丝杠螺母副的使用滚珠丝杠螺母副在使用时应注意：

1）滚珠螺母应在有效行程内运行，必要时，在行程两端配置限位装置，以避免螺母行程脱离丝杠轴而使滚珠脱落；

2）滚珠丝杠副由于传动效率高，不能自锁，在用于垂直方向时，必须