详解主轴箱与主轴组件

1.主轴箱

对于一般数控机床和自动换刀数控机床（加工中心）来说，由于采用了电动机无级变速，减少了机械变速装置，因此，主轴箱的结构较普通机床简化，但主轴箱材料要求较高，一般用HT250或HT300，制造与装配精度也较普通机床要高。

对于数控落地铣镗床来说，主轴箱结构比较复杂，主轴箱可沿立柱上的垂直导轨作上下移动，主轴可在主轴箱内作轴向进给运动，除此以外，大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴的部件作前后进给运动的功能，它的进给方向与主轴的轴向进给方向相同。此类机床的主轴箱结构通常有两种方案，即滑枕式和主轴箱移动式。

（1）滑枕式

数控落地铣镗床有圆形滑枕、方形或矩形滑枕以及棱形或八角形滑枕。滑枕内装有铣轴和镗轴，除镗轴可实现轴向进给外，滑枕自身也可作沿镗轴轴线方向的进给，且两者可以叠加。滑枕进给传动的齿轮和电动机是与滑枕分离的，通过花键轴或其他系统将运动传给滑枕以实现进给运动。

① 圆形滑枕。圆形滑枕又称套筒式滑枕，这种圆形断面的滑枕和主轴箱孔的制造工艺简便，使用中便于接近工件加工部位。但其断面面积小，抗扭惯性矩较小，且很难安装附件，磨损后修复调整困难，因而现已很少采用。

② 矩形或方形滑枕。滑枕断面形状为矩形，其移动的导轨面是其外表面的四个直角面，如图3-7所示。这种形式的滑枕，有比较好的接近工件性能，其滑枕行程可做得较长，端面有附件安装部位，工艺适应性较强，磨损后易于调整。抗扭断面惯性矩比同样规格的圆形滑枕大。这种滑枕国内外均有采用，尤以长方形滑枕采用较多。

③ 棱形、八角形滑枕。棱形、八角形滑枕的断面工艺性较差。与矩形或方形滑枕比较，在同等断面面积的情况下，虽然高度较大，但宽度较窄，如图3-8所示，这对安装附件不利，而且在滑枕表面使用静压导轨时，静压面小，主轴在工作过程中抗振能力较差，受力后主轴中心位移大。

（2）主轴箱移动式

这种结构又有两种形式，一种是主轴箱移动式，另一种是滑枕主轴箱移动式。

图3-7 数控落地铣镗床的矩形滑枕

图3-8 棱形滑枕

a）滑枕外形 b）滑枕截面

①主轴箱移动式。主轴箱内装有铣轴和镗轴，镗轴实现轴向进给，主轴箱箱体在滑板上可作沿镗轴轴线方向的进给。箱体作为移动体，其断面尺寸远比同规格滑枕式铣镗床大得多。这种主轴箱端面可以安装各种大型附件，使其工艺适应性增加，扩大了功能。缺点是接近工件性能差，箱体移动时对平衡补偿系统的要求高，主轴箱热变形后产生的主轴中心偏移大。

②滑枕主轴箱移动式。这种形式的铣镗床，其本质仍属于主轴箱移动式，只不过是把大断面的主轴箱移动体尺寸做成同等主轴直径的滑枕式而已。这种主轴箱结构，铣轴和镗轴及其传动和进给驱动机构都装在滑枕内，镗轴实现轴向进给，滑枕在主轴箱内作沿镗轴轴线方向的进给。滑枕断面尺寸比同规格的主轴箱移动式的主轴箱小，但比滑枕移动式的大。其断面尺寸足可以安装各种附件。这种结构型式不仅具有主轴箱移动式的传动链短、输出功率大及制造方便等优点，同时还具有滑枕式的接近工件方便灵活的优点。克服了主轴箱体移动式的具有危险断面和主轴中心受热变形后位移大等缺点。

2.主轴组件

数控机床主轴组件的精度、刚度和热变形对加工质量有着直接的影响，由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，这些影响就更为严重。

（1）主轴轴承的配置形式

目前主轴轴承的配置形式主要有3种，如图3-9所示。

①前支承采用双列圆柱滚子轴承和双列60°角接触球轴承组合，后支承采用成对角接触球轴承，如图3-9a所示。此种配置形式使主轴的综合刚度大幅度提高，可以满足强力切削的要求，因此，普遍应用于各类数控机床的主轴中。

②采用高精度双列角接触球轴承，如图3-9b所示。角接触球轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速可达4000r/min，但它的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。在加工中心的主轴中，为了提高承载能力，有时应用3个或4个角接触球轴承组合的前支承，并用隔套实现预紧。

图3-9 数控机床主轴轴承配置形式

③采用双列和单列圆锥轴承，如图3-9c所示。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较强的动载荷，安装与调整性能好。但这种轴承配置限制了主轴的最高转速和精度，因此，适用于中等精度、低速与重载的数控机床主轴。

随着材料工业的发展，在数控机床主轴中有使用陶瓷滚珠轴承的趋势。这种轴承的特点是：滚珠重量轻、离心力小、动摩擦力矩小；因温升引起的热膨胀小，使主轴的预紧力稳定；弹性变形量小、刚度高、寿命长。缺点是成本较高。

在主轴的结构上，要处理好卡盘或刀具的装夹、主轴的卸荷、主轴轴承的定位和间隙的调整、主轴组件的润滑和密封以及工艺上的一系列问题。为了尽可能减少主轴组件温升引起的热变形对机床工作精度的影响，通常利用润滑油的循环系统把主轴组件的热量带走，使主轴组件和箱体保持恒定的温度。在某些数控铣镗床上采用专用的制冷装置，比较理想地实现了温度控制。近年来，某些数控机床的主轴轴承采用高级油脂润滑，每加一次油脂可以使用7～10年，简化了结构，降低了成本且维护保养简单。但需防止润滑油和油脂混合，通常采用迷宫式密封方式。

对于数控车床主轴，因为在它的两端安装着动力卡盘和夹紧液压缸，主轴刚度必须进一步提高，并应设计合理的连接端，以改善动力卡盘与主轴端部的连接刚度。(www.xing528.com)

（2）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置

在带有刀库的自动换刀数控机床中，为实现刀具在主轴上的自动装卸，其主轴必须设计有刀具的自动夹紧机构。自动换刀立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构如图3-10所示。刀夹1以锥度为7∶24的锥柄在主轴3前端的锥孔中定位，并通过拧紧在锥柄尾部的拉钉2拉紧在锥孔中。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作用下向上移动；由于此时装在拉杆前端径向孔中的钢球12，进入主轴孔中直径较小处，见图3-10b，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。切削转矩则由端面键13传递。换刀前需将刀夹松开时，液压油进入液压缸上腔，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直径较大处时，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a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，把切屑或污物清除干净，以保证刀具的安装精度。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。

图3-10 自动换刀立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构

1—刀夹 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

自动清除主轴孔中切屑和灰尘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，甚至使刀杆发生偏斜，破坏了刀具的正确定位，影响加工零件的精度，甚至使零件报废。为了保持主轴锥孔的清洁，常用压缩空气吹屑。图3-10中的活塞6的中心钻有压缩空气通道，当活塞向左移动时，压缩空气经拉杆4吹出，将主轴锥孔清理干净。喷气头中的喷气小孔要有合理的喷射角度，并均匀分布，以提高其吹屑效果。

3.主轴准停装置

在自动换刀数控铣镗床上，切削转矩通常是通过刀杆的端面键来传递的，因此在每一次自动装卸刀杆时，都必须使刀柄上的键槽对准主轴上的端面键，这就要求主轴具有准确周向定位的功能。在加工精密坐标孔时，由于每次都能在主轴固定的圆周位置上装刀，就能保证刀尖与主轴相对位置的一致性，从而提高孔径的正确性，这是主轴准停装置带来的另一个好处。

目前，主轴准停装置很多，主要分为机械式和电气式两种。

传统的机械式主轴准停做法是采用机械挡块等来定向。图3-11为V形槽轮定位盘准停装置原理图，在主轴上固定一个V形槽定位盘，使V形槽与主轴上的端面键保持所需要的相对位置关系。当主轴需要停车换刀时，发出降速信号，主轴转换到最低速运转，当检测到无触点开关有效信号后，立即使主轴电动机停转，此时主轴电动机与主轴传动件依惯性继续空转，同时准停液压缸定位销伸出，并压向定位盘。当定位盘V形槽与定位销正对时，由于液压缸的压力，定位销插入V形槽中。LS2准停到位信号有效，表明准停动作完成。这里LS1为准停释放信号。采用这种准停方式，必须有一定的逻辑互锁，即当LS2有效时，才能进行换刀等动作。而只有当LS1有效时，才能起动主轴电动机正常运转。上述准停功能通常由数控系统的可编程序控制器完成。机械准停还有其他方式，如：端面螺旋凸轮准停等，但它们的基本原理是一样的。

图3-11 V形槽轮定位盘准停装置原理图

机械准停装置准确可靠，但结构较复杂。现代数控机床一般采用电气式主轴准停装置，只要数控系统发出指令信号，主轴就可以准确地定向。电气式主轴准停主要有以下两种方式。

①磁传感器主轴准停控制。磁传感器主轴准停控制由主轴驱动装置本身完成。当执行M19时，数控系统只需发出主轴准停启动命令ORT即可。主轴驱动完成准停后会向数控装置输出完成信号ORE，然后数控系统再进行下面的工作。其基本结构如图3-12所示，基本标准规格如表3-1所示。采用磁传感器准停的步骤如下：当主轴转动或停止时，接收到数控装置发来的准停开关信号量ORT，主轴立即加速或减速至某一准停速度（可在主轴驱动装置中设定）。主轴到达准停速度且到达准停位置时（即磁发体与磁传感器对准），主轴立即减速至某一爬行速度（可在主轴驱动装置中设定）。当磁传感器信号出现时，主轴驱动立即进入磁传感器的作为反馈元件的位置闭环控制，目标位置为准停位置。准停完成后，主轴驱动装置输出准停完成信号ORE给数控装置，从而可进行自动换刀（ATC）或其他动作。磁发体与磁传感器在主轴上的位置如图3-12b所示，准停控制的时序如图3-13所示。由于采用了传感器，故应避免产生磁场的元器件（如：电磁线圈、电磁阀等）与磁发体和磁传感器安装在一起。另外，磁发体（通常安装在主轴旋转部件上）与磁传感器（固定不动）的安装有严格的要求，应按说明书要求的精度安装。

表3-1 磁传感器准停的基本规格（安川）

图3-12 磁传感器准停

a）磁传感器准停系统图 b）磁发体与磁传感器在主轴上的位置

图3-13 磁传感器准停控制的时序图

②编码器主轴准停控制。编码器主轴准停功能也是由主轴驱动完成的，CNC只需发出ORT信号即可。主轴驱动完成准停后输出准停完成信号ORE。编码器型准停的基本规格如表3-2所列。图3-14为编码器主轴准停控制的结构图。这种准停方式可采用主轴电动机内部安装的编码器信号（来自于主轴驱动装置），也可以在主轴上直接安装其他编码器。采用前一种方式时要注意传动链对主轴准停精度的影响。主轴驱动装置内部可自动转换状态，使主轴驱动处于速度控制或位置控制状态。准停角度可通过数控系统参数进行偏移，这一点与磁传感器准停不同。磁传感器准停的角度无法随意设定，要调整准停位置，只有调整磁发体与磁传感器的相对位置。编码器准停控制的时序如图3-15所示，其步骤与磁传感器类似。

表3-2 YASKAWA编码器准停规格

图3-14 编码器主轴准停控制时序图

图3-15 编码器型准停的时序图