主轴单元设计

1、数控机床设计与分析 主轴单元设计 青海一机数控机床有限责任公司 2011年12月5日,课程內容,课 程 內 容,概述 主轴结构 主轴 轴承 刀具系统 冷却系统 润滑系统 密封系统 主轴电机,概 述,加工中心市场需求,概 述,数控机床高速切削关键技术,概 述,主轴为数控机床进行加工时，直接带动刀具或工件旋转，进行切削、磨削.等加工程序之重要单元。 带动工件旋转，如车床。 带动刀具旋转，如铣床。,概 述,主轴设计之性能指标 主轴刚性:径向与轴向 最高转速: 安全持续运转极限转速 主轴功率:连续输出额定功率与最大功率 影响刚度与转速的因素,概 述,主轴设计主要因素 主轴驱动方式: 齿轮/皮带式，直接

2、式，内藏式 主轴轴承:轴承形式，数量，组装方式，润滑 主轴电机:电机型式，功率，尺寸 主轴结构:刀柄拉杆，刀柄型式,概 述,依驱动方式分为: 齿轮式 优点： 传动系统扭转刚性大，能承受低速 高扭矩负载 适合低速大切深加工，但主轴刚性 需加大 缺点： 效率低，传输功率损耗大，噪音大， 油污染 高速受限制 齿轮及箱体制造成本高 齿轮造成轴承负荷,概 述,依驱动方式分为: 皮带式 优点： 高张力低噪音齿型设计，高 速时噪音比齿轮式低 组装，维修容易，成本低 缺点： 传动系统挠性大，扭转刚性低 皮带造成轴承负荷 高速运转受皮带限制而无法提高 超负荷切削易使皮带滑移。,概 述,依驱动方式分为: 电机内藏

3、式 优点： 电磁能直接转换为机械能，无传动功率损耗， 亦无须考虑如 DDS 主轴联轴器的刚性问题 此外电机具有双线圈两段输出功率，具备低速高扭矩功能 低速重切削能力大约介于齿轮式与皮带式之间 高速切削能力则较优。 缺点： 制造及材料成本高， 组装复杂，维修困难度高 线圈发热易影响主轴温升。,概 述,依驱动方式分为: 直結式 优点： 高速化，噪音低于皮带式主轴 直接电磁能 机械能转换 低傳传输功率损耗 低速重切削不会有皮带式之跳脱打滑问题 缺点： 系统总组合长度拉长， 组装精度要求高， 使用在C -型架重量集中前端。 动平衡校正较困难，联轴器易受切削激振松脱。,概 述,各式主轴:,液体静压主轴,

4、主轴结构,主轴 轴承 刀具夹持系统 冷却系统 润滑系统 密封 其他,主 轴 结 构,主轴结构,加工中心 (Machinning Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主 轴, 主轴之心轴为一多段式中空阶梯梁，是主轴单元重要结构元件

5、。 功能 提供主轴所需刚性。 提供刀柄介面及刀具夹持系统。 与轴承组成主轴-轴承系统，为主轴旋转组件。 提供主轴中心出水(CTS)机构(部分系统)。, 设计考虑因素 等效惯性矩:各阶段的长度与截面尺寸设计。 轴承间之跨距: 轴承间距离影响主轴负荷变形量。 悬伸量:前端轴承至刀柄介面距离。,主 轴,主轴端部,主轴锥孔,主轴端部,主轴锥孔,加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的HSK真空系统。 锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统 型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1 （国际标准） 、 MAS BT（日本标准）以及ANS

6、I/ASME（美国标准）。 1:10 HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873。有六种标准和规格，即 HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F，常用的有三 种：HSK-A (带内冷自动换刀) 、 HSK-C (带内冷手动换刀) 和HSK-E(带内冷 自动换刀，高速型)。 7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接 触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。 HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触， 这种双面接触系统在高速加工、

7、连接刚性和重合精度上均优于7:24的HSK刀柄。其中常用于加工中心(自动换刀)上的有A型、E型和F型。,主轴接口形式,刀具结合面系统,HSK: 1/10 空心短刀柄,KM : 1/10 空心短刀柄,- 1/10 錐度,主轴接口形式,主轴端部,30-60号 GB/T3837-2001主轴端部 结构尺寸,主轴端部尺寸,主轴端部键槽及键块,主轴端面键,主轴端部端面键尺寸,主轴端部,主轴锥孔,ISO 9524-1993机床 加工中心主轴端部 结构尺寸,主轴拉刀机构,主轴拉刀系统,碟形弹簧之并串联(以并串联上调整拉刀力),主轴拉刀系统,碟形弹簧之并串联(以并串联上调整拉刀力),主轴拉刀系统,碟形弹簧之并

8、串联(以并串联上调整拉刀力),刀具夹持系统 液压系统(以油压调整拉刀力),主轴拉刀系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,轴承 支持主轴，并限制位移，使主轴绕固定旋转中 心运动，此外提供足夠界面刚性，使主轴承受 切削力。 滚动轴承(Rolling Bearing) 液静压轴承(Hydrostatic Bearing) 液动压轴承(Hydrodynamic Bearing) 磁浮轴承(Active Magnetic Bearing ),主轴轴承,角接触球轴承的组合,1、角接触球轴承一般有2列

9、组合（DB）、 3列组合（DBD）或4列组合（DBB） 2、组合轴承内外径的公差都控制在允许公差范围内的1/3.,主轴轴承,作用点距离与负荷方向,背对背组合DB 面对面组合DF 并列组合DT 3列组合DBD 4列组合DBB,主轴轴承,轴承组合方式,2列组合：DB/DF/DT 3列组:DBD/DFD/DTD 4列组合:DBB/DFF/ DBT/DFT/DTT 不同的组合：承受负荷方向、扭转刚度、高速性能、发热和径向刚度各有不同。,主轴轴承,轴承组合后弯曲性能比较,径向位移：背对背组合DB面对面组合DF,刚度：背对背组合DB面对面组合DF,载荷1000N,作用点的距离对主轴的弯曲有着较大影响,主轴

10、轴承,极限 转速,用单个轴承组合成2列、 3列、 4列组合使用 为提高主轴刚度而加大预紧力时,极限转速 会随之 下降,速度系数,主轴轴承,影响预紧力变化的因素,主轴轴承,主轴-轴承系统,主轴与轴承系统之组合设计，对主轴刚性的影响。,轴承的选用与配置。 主轴的内外径、悬伸与轴承跨距。,主轴衬套管,主轴衬套管 提供轴承支撑、冷却卻水套及主轴安装介面。,主轴-支撑-衬套管,主轴-支撑-衬套管结构系统:,松刀机构,常见浮动松刀机构,机械式倍力设计,刀具松拉刀系统,刀具松拉刀系统,松刀机构 常见空压转液压增压缸设计:,刀具松拉刀系统,松刀机构 常见空压转液压增压缸设计:,刀具系统,刀具夹持系统:,利用并

11、串联碟形弹簧组合经拉杆，瓣爪拉住刀柄拉钉，使刀具斜面与主轴內孔斜面紧密接触，形成足夠的界面刚性。,刀具系统,刀柄结合面 7/24锥度 BT30, BT40, BT50 (日本Bottle Grip 公司) CAT30, CAT40, CAT50 (美国 Catipillar公司) DIN 69871 Form A, Form B: SK40, SK50 双面约束实心刀柄 BBT-40,50 (BIG plus ) 双面约束实心刀柄 MBT-40,50(Nikken) 1/10錐度 双面约束中空刀柄HSK A-50, A-63, A-100 双面约束中空刀柄KM A-50,A-63,A-80,A

12、-100,刀具系统,刀具结合面系统 - 7/24 锥度,BT,CAT,SK From A,刀具系统,传统单面接触时刀柄不适用于高速旋转 1. 旋转离心力，温升 2. 刀柄较长，较重,刀具系统,刀具夹持系统 双面约束: 中空刀柄:,刀具系统,刀具结合面系统 双面约束中空短刀柄: 更高结合面刚性，更精密定位及更短换刀时间。,刀具系统,刀具结合面系统 双面约束中空短刀柄: 更高结合面刚性，更精密定位及更短换刀时间。,刀具系统,刀柄长度比较: HSK刀柄长仅有一般1/2,刀具系统,刚性比较:,刀具系统,重复精度比较:,刀具系统,重复精度比较:,冷却系统,冷却系统 主轴热源 轴承 电机 切削,冷却系统,

13、主轴电机及轴承因主轴运转产生热，须以冷却液带走，以控制主轴 温升变形量。 大部分主轴以水套环绕电机定子及轴承外环，以冷却液循环其中，进行冷却。 冷却循环一般无法冷却电机线圈及轴承內部，造成外冷內热。,冷却系统,另一种方式以冷空气为冷却媒介，可以有效冷却电机內外线圈，降低主轴温升变形。 许多主轴备有中心出水(CTS，Coolant Thru Spindle) 切削液，亦具有冷却主轴中心之功能。但对于高转速运用，因冷煤通道不对称或冷却液遭或空气污染而造成主轴/刀具系统不平衡。,润滑系统,滚动轴承 润滑系统: 油脂润滑(Grease): 油雾润滑(Oil Mist): 油气润滑(Oil Air):

14、喷射润滑(Oil Jet):,油雾润滑(Oil Mist),油气润滑(Oil Air),喷射润滑(Oil Jet),润滑系统,主轴润滑技术比较,润滑系统,主轴润滑技术比较,润滑系统,油脂润滑(Grease Lubrication) 填充量(grease quantity) 30% free space in bearing Q = qB dm B 10 -3 （SKF） Q : 油脂量, cm3 qB: 轴承尺寸因子 dm: 轴承平均直径 = (D+d)/2 B : 轴承宽度,润滑系统,油脂润滑(Grease Lubrication) 结构简单，组装测试验证容易。 成本低。 免维护。 散热不易

15、，工作转速比油气式润滑低。 油脂会有老化问题。 灰尘及切削液容易侵入。,润滑系统,油量与温升及摩擦损失关系图,润滑系统,油润滑(Oil Lubrication) Q = (M o + M 1 ) nT/ T10-6 Q : 油量, l/min Mo: 摩擦力矩(load independent) M1:摩擦力矩(load dependent) n : 转速, rpm T: 润滑油允许温升,润滑系统,油润滑(Oil Lubrication) 油气式(oil-air or oil spot) 滚珠使用润滑油与空气混合之后喷入滚珠轨道，DN 值高。 润滑油消耗量小，消耗功率小，适合高速长时间连续运转

16、。 发热量少，空气有冷却效果。 成本高，供油系统续严格监控稳定性，否则易瞬间烧毁，油量调整费时，组装及制造过程复杂。,润滑系统,油气式润滑常见问题 油顆粒大，供油间隔须长(8 to 16 minutes) 主轴温度变化大，不稳定 供油时间间隔长，万一缺少供油一次，产生影响大 供油监测困难,润滑系统,油润滑(Oil Lubrication) 油雾式(oil/air Mist) 喷射式(oil jet),润滑系统,特殊润滑系統: 轨道直接润滑(Raceway Lubrication): Under-race,Robust series (NSK),主轴密封,密封之目的 防止润滑油及油脂从轴承中泄露

17、出來。 防止切削液或灰尘、切屑等异物从外部侵入。 密封设计考虑因素 转速 空间设计 零件安装步骤 主要密封方向（立式或卧式） 价格与效果,主轴密封,密封之目的 防止润滑油及油脂从轴承中泄露出來。 防止切削液或灰尘、切屑等异物从外部侵入。 密封设计考虑因素 转速 空间设计 零件安装步骤 主要密封方向（立式或卧式） 价格与效果,主轴密封,密封种类,主轴密封,迷宫式密封 利用流体经过一系列节流间隙与膨胀空腔组成通道，产生节流作用，以限 制泄漏之非接触式动密封。,每一个迷宫分隔必须有足够宽度，以使压力于区域3中降低，逐次消耗能量。,主轴密封,过去之研究结果可归纳出下列数项结论： （1）分隔数增加将可使

18、流体动能降低而使泄漏量減小，但 将增加密封件空间之需求， （2）减小间隙C可使泄漏量降低， （3）分隔区若具有直角转角，将使排放系数降低，亦即使泄 漏量降低， （4）当齿厚对间隙C之比增加时，会增加排放系数，亦即使 泄漏量增加， （5）增加齿距或齿深，会使分隔区中之涡流增大，而造成额 外之压力损失，因而可降低泄漏量。,主轴密封,空穴式(Cavity Type) 阶梯式(Stepped Type) 保护领式(Protective Collar Type) 多重弯道式(Multiple Elbow Type),迷宮式密封,增加摩擦，消耗动能，強化阻绝效果,主轴密封,主轴密封,传统迷宮式 用于保护主

19、轴轴承不受污染，确保轴承寿命。 1. 预防污染物直接喷入主轴 2. 膨胀空间凝结水气并 降低速度 3. 排流管设计 4. 间隙设计,主轴密封,常见迷宫轴封设计,主轴密封,主轴密封,主轴密封,空气正压轴封 由于烟囱效应及主轴内部几何形状，传统迷宫轴封无法完全阻绝，污染物仍会逐渐被吸入主轴，空气正压式(AirPurge)轴封为有效改善方法。,主轴密封,主轴套的端面与主轴端盖连接，主轴端盖内设有环行的气腔，主轴端盖上开有气流孔隙，主轴套的气流通道与压缩空气泵连接，其中的压缩空气可以通过主轴端盖的环行气腔吹出，并在主轴与主轴端盖之间形成环型气幕。由于环型气幕使主轴端盖内部与外部始终形成压力差，保证加工

20、区域的切削液和切屑不能进入主轴前端的轴承里，同时由于主轴端面正压存在，可以把主轴上的水雾吹走，使其空间始终保持干燥，起到保护主轴轴承的作用。,主轴空气密封,主轴密封,主轴空气密封,主轴密封,在采用空气隔离气密封时应注意以下几点: 由于主轴前后端同时增加了气体压力,在该气体压力作用下,主轴套筒（箱）内的压力处于平衡状态或接近平衡状态,套筒（箱）体内不会产生大流速的空气对流现象。 在设计时应考虑,向内气环上的气阻应大于向外气环上的气阻;向内气环的间隙应为0.080.12mm,而向外气环的间隙应为0.150.20mm,以保证主轴密封处的气体压力大于箱体外的压力。这样,空气中的粉尘等杂物在气压的作用下

21、不会进入主轴密封环。 设计时应考虑到压缩空气的净化及其干燥。 在一般情况下,作用于气体隔离环上的气体压力为0.20.4MPa。,主轴电机, 功率扭矩图是主轴切削性能的评价基础，也是评估选用机器的首要参考指标，对于使用者而言，选用机器前须了解切削条件需求才能正确选择规格。 连续额定(continuous rated ) :可连续运转的输出功率。 30分钟额定(30min rated): 输出功率较大,但能承受30分钟。,主轴电机,主轴电机与扭矩取决于主轴电机之选用 主轴电机于基速(base speed)提供固定扭矩 基速后提供固定功率,基速,主轴电机,主轴电机 宽域电机:基速低，低速就全功率输出，扭矩大。 非宽域电机:基速高，扭矩较小。,皮带或齿轮传动式主轴由 齿轮或皮带轮改变扭矩。,直接驱动式主轴无法由齿轮 或皮带轮改变扭矩，通常于 较高转速运转，不适合重切 削。,主轴电机,主轴电机规格表,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,设计任务1：加工中心主轴单元,主轴单元设计,设计条件 1.主轴锥孔BT50；最高转速6000r/min；FANUC电机功率 11/15kW （30min）转