数控机床主轴部件的优化设计

1.主轴部件

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，主轴箱的结构相较于普通机床已进行简化，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做上下移动，主轴可在主轴箱内做轴向进给运动，除此以外，大型落地铣镗床的主轴箱结构还有携带主轴部件做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，滑枕自身也可做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。

2）主轴箱移动式

主轴箱移动式结构又有两种类型，一种是主轴箱移动式，另一种是滑枕主轴箱移动式。

（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做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，扩大功能。其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。滑枕主轴箱移动式的铣镗床，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，滑枕在主轴箱内做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，但比滑枕式的大。其断面尺寸足可以安装各种附件。这种结构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，克服了主轴箱移动式具有危险断面和主轴中心受热变形后偏移大等缺点。

2.主轴组件

机床的主轴组件是机床重要部件之一，它带动工件或刀具执行机床的切削运动，因此数控机床主轴部件的精度、抗振性和热变形对加工质量有直接的影响。由于数控机床在加工过程中不进行人工调整，故这些影响就更为严重。主轴在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调整、主轴组件的润滑和密封等一系列问题。

1）数控机床的主轴轴承配置

数控机床的主轴轴承配置主要有三种形式。

（l）前轴承采用圆锥孔双列圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后轴承采用成对角接触球轴承（见图6-4）。这种配置形式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，所以目前各类数控机床的主轴普遍采用这种配置形式。

（2）前轴承采用高精度双列角接触球轴承（见图6-5）。角接触球轴承具有较好的高速性能，主轴最高转速可达4 000 r/min，但是这种轴承的承载能力小，因而适用于高速、轻载和精密的数控机床主轴。

图6-4　第一种配置方式

图6-5　第二种配置方式(www.xing528.com)

（3）前轴承采用双列圆锥滚子轴承，后轴承采用圆锥滚子轴承（见图6-6）。这种轴承径向和轴向刚度高，能承受重载荷，尤其能承受较大的动载荷，安装与调整性能好，但是这种轴承配置方式限制了主轴的最高转速和精度，所以仅适用于中等精度、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：滚珠质量轻，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。其缺点是成本较高。

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。

2）主轴内刀具的自动夹紧和切屑清除装置

图6-6　第三种配置方式

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。自动换刀数控立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构如图6-7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的作用下向上移动；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的d2处，被迫径向收拢而卡进拉钉2的环形凹槽内（见图6-7），因而刀杆被拉杆拉紧，依靠摩擦力紧固在主轴上。切削扭矩则由端面键13传递。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，压缩空气由压缩空气管接头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6-7　自动换刀数控立式铣镗床主轴的刀具夹紧机构（JCS-018）

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6-7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，切削扭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的周向定位功能。主轴准停装置带来的另一个好处是：在加工精密坐标孔时，每次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，提高孔径的正确性。

图6-8采用的是电气控制的主轴准停装置，这种装置利用装在主轴上的磁传感器作为位置反馈部件，由它输出信号，使主轴准确停止在规定位置上。因此，电气控制的主轴准停装置不需要机械部件，可靠性好，准停时间短，只需要简单的强电顺序控制，且有高的精度和刚性。其工作原理是：在传动主轴旋转的多楔带轮1的端面上装有一个厚垫片4，垫片上又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，数控装置发出主轴停转指令，主轴电动机立即降速，在主轴5以最低转速慢转几转后，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。

图6-8　电气控制的主轴准停装置

1—多楔带轮；2—磁传感器；3—永久磁铁；4—垫片；5—主轴