数控加工中心主轴部件优化方案

以JCS-018数控立式加工中心为例，论述其结构和工作原理以及主轴轴承的配置形式，通过三维图展示其逼真的结构形式。

数控加工中心主轴部件由主轴、轴承以及安装在主轴上的传动件和密封件等组成。为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹紧，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。本案例主要以某数控加工中心（见图2-8）为例，讨论其结构及工作原理。

图2-8　数控加工中心主轴部件

1—刀架；2—拉钉；3—主轴；4—拉杆；5—碟形弹簧；6—活塞；7—液压缸；8、10—行程开关；9—压缩空气管接头；11—弹簧；12—钢球；13—端面键

1.数控加工中心主轴

（1）数控加工中心主轴前端结构

如图2-9所示为铣、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扭矩。

图2-9　数控铣、镗床主轴端部

（2）主轴内部刀具自动夹紧装置

如图2-8所示，为了实现刀具的自动装卸，主轴内设有刀具自动夹紧装置。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。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。由于此时装在拉杆前端径向孔中的四个钢球12进入主轴孔中直径较小的d2处（见图2-8（b）），被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内，因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。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；当钢球12随拉杆一起下移至进入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。与此同时，压缩空气由管接头9经活塞和拉杆的中心通孔吹入主轴装刀孔内，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。

2.数控加工中心主轴部件支承

（1）主轴轴承选型

如图2-8所示数控加工中心主轴轴承采用角接触球轴承，该轴承如图2-6（c）所示，这种轴承通常两个或三个或更多组配使用，能承受径向、双向轴向负荷。组配使用能满足刚度要求，并能方便地消除轴向、径向间隙和预紧。允许主轴的转速较高。

（2）主轴轴承的配置

如图2-10所示为前支承采用高精度三列角接触球轴承，后支承采用双列角接触球轴承。这种结构配置形式具有较好的高速性能。

图2-10　数控加工中心主轴支承配置

（3）主轴轴承的装配

釆用定向选配法进行装配可提高主轴部件的精度，应尽可能使主轴支承孔与主轴轴颈的偏心量和轴承内圈与滚道的偏心量接近，并使其方向相反。

此外，在维修机床拆装主轴轴承时，因原生产厂已调整好轴承的偏心位置，所以要在拆卸前做好周向位置标记。

（4）主轴滚动轴承预紧(www.xing528.com)

角接触球轴承是通过轴承内、外圈之间的相对轴向位移进行预紧的。如图2-11所示为角接触球轴承的几种预紧控制方式。

图2-11　角接触球轴承的预紧控制方式

① 修磨轴承圈。图2-11（a）是通过将内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）相靠的端面各磨去一定量，安装时把它们压紧以实现预紧。需要修磨轴承，工艺较复杂，使用中不能调整。

② 内外隔套。图2-11（b）是在两个轴承的内、外圈之间，分别安装两个厚度差为2a的内、外隔套。隔套加工精度容易保证，但使用中不能调整。

③ 无控制装置。图2-11（c）中两个内圈的位移量靠操作者经验控制，可在使用中调整，但难于准确掌握。

④ 弹簧预紧。图2-11（d）是靠数个均布弹簧可控制预加载荷基本不变，轴承磨损后能自动补偿间隙，效果较好。

3.主轴内切屑清除装置

自动清除主轴孔中的切屑和尘埃是换刀操作中的一个不容忽视的问题。如果在主轴锥孔中掉进了切屑或其他污物，在拉紧刀杆时，主轴锥孔表面和刀杆的锥柄就会被划伤，使刀杆发生偏斜，破坏刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保证主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图2-8（a）中活塞6的心部钻有压缩空气通道，当活塞向下移动时，压缩空气经拉杆4吹出，将锥孔清理干净。喷气小孔设计有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高吹屑效果。

4.主轴准停装置

自动换刀数控机床主轴组件设有准停装置，其作用是使主轴每次都准确地停止在固定的周向位置上，以保证换刀时主轴上的端面键能对准刀夹上的键槽，同时使每次装刀时刀夹与主轴的相对位置不变，提高刀具的重复安装精度，从而提高孔加工时孔径的一致性。图2-13所示主轴组件采用的是电气准停装置，其工作原理见图2-12。在带动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上装有一个体积很小的永久磁铁3。在主轴箱箱体对应于主轴准停的位置上，装有磁传感器2。当机床需要停车换刀时，数控系统发出主轴停转的指令，主轴电动机立即降速，当永久磁铁3对准磁传感器2时，后者发出准停信号。此信号经放大后，由定向电路控制主轴电动机准确地停止在规定的周向位置上。这种装置可保证主轴准停的重复精度在±1°范围内。

5.数控加工中心主轴部件的三维结构

依据数控加工中心主轴部件的结构特点及轴承的选型，利用三维设计软件可绘制出JCS-018数控加工中心主轴部件的三维结构图。图2-13为主轴箱外观图，图2-14为主轴箱剖面图，图2-15为主轴部件爆炸图。

图2-12　JCS—018主轴准停装置的工作原理

图2-13　主轴箱外观图

图2-14　主轴箱剖面图

1—刀架；2—拉钉；3—主轴；4—拉杆；5—碟形弹簧；6—活塞；7—液压缸；8、10—行程开关；9—压缩空气管接头；11—弹簧；12—钢球；13—端面键

图2-15　主轴部件爆炸图