简述数控机床的主轴组件

杨 磊 侯志敏

摘要:数控机床主轴组件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响。由于数控机床的转速高,功率大,并且在加工过程中不进行人工调整,因此要求其具有良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。所以主轴组件的性能是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。

关键词:转速;承载能力;回转精度;激振力;抗振性;温升

数控机床主轴组件是机床的重要部件之一,它是机床的执行件。它的功用是支承并带动主轴。由主轴及其支承和安装在主轴上的传动件、密封件等组成。由于数控机床的转速高,功率大,并且在加工过程中不进行人工调整,因此要求良好的回转精度、结构刚度、抗振性、热稳定性及精度的保持性。对于自动换刀的数控机床,为了实现刀具在主轴上的自动装卸和夹持,还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和切屑清除装置等结构。

主轴组件的工作性能,对整机性能和加工质量以及机床生产率有着直接影响,是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此,数控机床对主轴组件有较高的要求。

主轴支承是主轴组件的重要组成部分,主轴支承是指主轴轴承、支承座及其相关零件的组合体,其中核心元件是轴承。采用滚动轴承的支承称为主轴滚动支承;采用滑动轴承的支承称为主轴滑动支承。滚动轴承的主要优点是适应转速和载荷变动的范围大;能在零间隙或负间隙(一定的过盈量)条件下稳定运转,具有较高的旋转精度和刚度;轴承润滑容易,维修、供应方便,摩擦因数小等。其缺点是滚动轴承的滚动体数目有限,刚度是变化的,阻尼也较小,容易引起振动和噪声;径向尺寸也较大。滑动轴承具有抗振性好、运转平稳、旋转精度高及径向尺寸小等优点,但制造、维修比较困难,并受到使用场合限制,如立式主轴漏油问题解决较困难等。

数控机床主轴支承根据主轴组件的转速、承载能力及回转精度等要求的不同而采用不同种类的轴承。一般中小型数控机床(车床、铣床、加工中心、磨床)的主轴组件多采用滚动轴承;重型数控机床采用液体静压轴承;高精度数控机床(如坐标磨床)采用气体静压轴承;转速达(2-10)×104r/min的主轴可采用磁力轴承或陶瓷滚动轴承。在使用中,应根据主轴组件工作性能的要求、制造条件和经济效果综合考虑,合理选用。

主轴组件的滚动轴承既要有承受径向载荷的径向轴承,又要有承受两个方向轴向载荷的推力轴承。轴承类型及型号选用主要应根据主轴组件的刚度、承载能力、转速、抗振性及结构等要求合理进行选定。

同样尺寸的轴承,线接触的滚子轴承比点接触的球轴承的刚度要高,但极限转速要低;多个轴承比单个轴承承载能力要大;不同轴承承受载荷类型及大小不同;还应考虑结构要求,如中心距特别小的组合机床主轴,可采用滚针轴承。为提高主轴组件的刚度,通常采用轻系列或特轻系列轴承,因为当轴承外径一定时其孔径(即主轴轴颈)可以较大。

通常情况下,可按下列条件选用滚动轴承。

(1)中高速重载。双列圆柱滚子轴承配双向推力角接触球轴承(如配推力轴承,则极限转速低)。成对圆锥滚子轴承结构简单,但极限转速较低。空心圆锥滚子轴承的极限转速可以提高,但成本较高。

(2)高速轻载。成组角接触球轴承,根据轴向载荷的大小分别选用25°或15°接触角。

(3)轴向载荷为主。精度不高时,选用推力轴承配深沟球轴承;精度较高时,选用向心推力轴承。

通常提高主轴组件性能的措施有以下几种:

(1)提高旋转精度。

提高主轴组件的旋转精度,首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度,此外还可采取一些工艺措施,例如选配法、装配后精加工等方法。

(2)改善动态特性。

主轴组件应有较高的动刚度和较大的阻尼,使得主轴组件在一定幅值的周期性激振力作用下,受迫振动的振幅较小。通常主轴组件的固有频率是很高的,远远高于主轴的最高转速,故不必考虑共振问题,按静态处理。但是对于高速主轴,特别是带内装式电动机的高速主轴,则要考虑共振问题。改善动态特性的主要措施有以下一些:

①使主轴组件的固有频率避开激振力的频率。通常应使固有频率高于激振力频率30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴的刚体振动(平移或摇摆振型),则可设法提高轴承刚度;当属于主轴的弯曲振动,则需提高主轴的刚度,如适当加大主轴直径、缩短悬伸等。激振力可能由于主轴组件不平衡(固有频率等于主轴转速)或断续的切削力(固有频率等于主轴转速乘刀齿数)等而产生。

②主轴轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大,特别是前轴承。如果加工表面的Ra值要求很小,又是卧式主轴,可用滑动轴承。例如外圆磨床和卧轴平面磨床。滚动轴承中,圆锥滚子轴承的端面有滑动摩擦,其阻尼要比球轴承和圆柱滚子轴承高一些。适当预紧可以增大阻尼,但过大的预紧反而使阻尼减小。故选择预紧时还应考虑阻尼的因素。

③采用三支承结构时,其中辅助支承的作用在很大程度上是为提高抗振性。

④采用消振装置。

(3)控制主轴组件温升。

主轴运转时,滚动轴承的滚动体在滚道中摩擦、搅油,滑动轴承承载油膜受到剪切内摩擦,均会产生热量,使轴承温度上升。轴承直径越大,转速越高,发热量就越大。故轴承是主轴组件的主要热源。前后轴承温度的升高不一致,使主轴组件产生热变形,从而影响轴承的正常工作,导致机床加工精度降低。故对于高精度和高效自动化机床,如高精度磨床、坐标镗床和自动交换刀具的数控机床(即加工中心),控制主轴组件温升和热变形,提高其热稳定性是十分必要的。主要措施有两项:

①减少支承发热量。合理选择轴承类型和精度,保证支承的制造和装配质量,采用适当的润滑力式,均有利于减少轴承发热。

②采用散热装置。通常采用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法。这些方法能够有效地降低轴承温升,减少主轴组件热变形。机床实行箱外强制循环润滑,不仅带走了部分热量,而且使油箱扩大了散热面积。对于高精度机床主轴组件,油液还要用专门的冷却器冷却,以降低温度。采用恒温装置,降低轴承温升,可使主轴热变形小而均匀。

参考文献

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