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1、主編：茍衛(wèi)東概述 主軸結(jié)構(gòu)主軸軸承刀具系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)密封系統(tǒng)主軸電機加工中心市場需求3C模具航鈦輕合金汽機車一般加工高速鉆孔攻絲，輕切削面銑1mm以下小孔徑鉆孔硬鋼材加工，曲面加工高速銑削，曲面加工高速銑削，鉆孔，攻絲精密鏜孔鉆孔，攻絲，面銑，鏜孔高速高精度高效率數(shù)控機床高速切削關(guān)鍵技術(shù)輕量化高剛性結(jié)構(gòu)CAD/CAM刀具技術(shù)工藝(規(guī)程，夾具)控制器進(jìn)給系統(tǒng)高速，高精度高速，高精度切削切削 主軸為數(shù)控機床進(jìn)行加工時，直接帶動刀具或工件旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行切削、磨削.等加工程序之重要單元。帶動工件旋轉(zhuǎn)，如車床。帶動刀具旋轉(zhuǎn)，如銑床。主軸設(shè)計之性能指標(biāo)主軸設(shè)計之性能指標(biāo)主軸剛性:徑向與軸向最高轉(zhuǎn)速: 安

2、全持續(xù)運轉(zhuǎn)極限轉(zhuǎn)速主軸功率:連續(xù)輸出額定功率與最大功率影響剛度與轉(zhuǎn)速的因素影響剛度與轉(zhuǎn)速的因素剛性主軸系統(tǒng)軸承系統(tǒng)支撐系統(tǒng)轉(zhuǎn)速軸承系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)主軸設(shè)計主要因素主軸設(shè)計主要因素主軸驅(qū)動方式: 齒輪/皮帶式，直接式，內(nèi)藏式主軸軸承:軸承形式，數(shù)量，組裝方式，潤滑主軸電機:電機型式，功率，尺寸主軸結(jié)構(gòu):刀柄拉桿，刀柄型式依驅(qū)動方式分為依驅(qū)動方式分為: 齒輪式齒輪式優(yōu)點：優(yōu)點：傳動系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)剛性大，能承受低速高扭矩負(fù)載適合低速大切深加工，但主軸剛性需加大缺點：缺點：效率低，傳輸功率損耗大，噪音大，油污染高速受限制齒輪及箱體制造成本高齒輪造成軸承負(fù)荷依驅(qū)動方式分為依驅(qū)動方式分為: 皮帶式皮帶式優(yōu)點

3、：優(yōu)點：高張力低噪音齒型設(shè)計，高速時噪音比齒輪式低組裝，維修容易，成本低缺點：缺點：傳動系統(tǒng)撓性大，扭轉(zhuǎn)剛性低 皮帶造成軸承負(fù)荷 高速運轉(zhuǎn)受皮帶限制而無法提高 超負(fù)荷切削易使皮帶滑移。依驅(qū)動方式分為依驅(qū)動方式分為: 電機內(nèi)藏式電機內(nèi)藏式優(yōu)點：優(yōu)點：電磁能直接轉(zhuǎn)換為機械能，無傳動功率損耗，亦無須考慮如 DDS 主軸聯(lián)軸器的剛性問題 此外電機具有雙線圈兩段輸出功率，具備低速高扭矩功能 低速重切削能力大約介于齒輪式與皮帶式之間 高速切削能力則較優(yōu)。缺點：缺點： 制造及材料成本高， 組裝復(fù)雜，維修困難度高 線圈發(fā)熱易影響主軸溫升。依驅(qū)動方式分為依驅(qū)動方式分為:直結(jié)式直結(jié)式優(yōu)點：優(yōu)點： 高速化，噪音低于

4、皮帶式主軸 直接電磁能 機械能轉(zhuǎn)換 低傳傳輸功率損耗 低速重切削不會有皮帶式之跳脫打滑問題缺點：缺點： 系統(tǒng)總組合長度拉長， 組裝精度要求高， 使用在C -型架重量集中前端。 動平衡校正較困難，聯(lián)軸器易受切削激振松脫。各式主軸各式主軸:液體靜壓主軸磁浮主軸軸線可動主軸液體動壓主軸滾珠軸承主軸l主軸主軸l軸承軸承l(wèi)刀具刀具夾持系統(tǒng)夾持系統(tǒng)l冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)l潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l密封密封l其他其他加工中心 (Machinning Center)加工中心(machining Center)加工中心(machining Center)加工中心(machining Center)加工中心(machinin

5、g Center)加工中心(machining Center)加工中心(machining Center)加工中心(machining Center)主主 軸軸 主軸之心軸為一多段式中空階梯梁，是主軸單元重要結(jié)構(gòu)元件。 功能l提供主軸所需剛性。l提供刀柄介面及刀具夾持系統(tǒng)。l與軸承組成主軸-軸承系統(tǒng)，為主軸旋轉(zhuǎn)組件。l提供主軸中心出水(CTS)機構(gòu)(部分系統(tǒng))。 設(shè)計考慮因素等效慣性矩:各階段的長度與截面尺寸設(shè)計。軸承間之跨距: 軸承間距離影響主軸負(fù)荷變形量。懸伸量:前端軸承至刀柄介面距離。主主 軸軸主軸端部主軸端部主軸端部主軸端部 加工中心的主軸錐孔通常分為兩大類，即錐度為7:24的通用系統(tǒng)

6、和1:10的HSK真空系統(tǒng)。 錐度為7:24的通用刀柄通常有五種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，即NT（傳統(tǒng) 型）、DIN 69871（德國標(biāo)準(zhǔn)）、IS0 7388/1 （國際標(biāo)準(zhǔn)） 、 MAS BT（日本標(biāo)準(zhǔn)）以及ANSI/ASME（美國標(biāo)準(zhǔn)）。 1:10 HSK真空刀柄的德國標(biāo)準(zhǔn)是DIN69873。有六種標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)格，即 HSK-A、 HSK-B、 HSK-C、 HSK-D、 HSK-E和HSK-F，常用的有三 種：HSK-A (帶內(nèi)冷自動換刀) 、 HSK-C (帶內(nèi)冷手動換刀) 和HSK-E(帶內(nèi)冷 自動換刀，高速型)。 7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24錐面與機床主軸孔的7:24錐面接 觸定位連接的，在

7、高速加工、連接剛性和重合精度三方面有局限性。 HSK真空刀柄靠刀柄的彈性變形，不但刀柄的1:10錐面與機床主軸孔的1:10錐面接觸，而且使刀柄的法蘭盤面與主軸面也緊密接觸， 這種雙面接觸系統(tǒng)在高速加工、連接剛性和重合精度上均優(yōu)于7:24的HSK刀柄。其中常用于加工中心(自動換刀)上的有A型、E型和F型。主軸接口形式主軸接口形式l刀具結(jié)合面系統(tǒng)HSK: 1/10 空心短刀柄KM : 1/10 空心短刀柄- 1/10 錐度主軸接口形式主軸接口形式主軸端部主軸端部主軸端部尺寸主軸端部尺寸主軸端部鍵槽及鍵塊主軸端部鍵槽及鍵塊主軸端部端面鍵尺寸主軸端部端面鍵尺寸主軸端部主軸端部主軸拉刀機構(gòu)主軸拉刀機構(gòu)主

8、軸拉刀系統(tǒng)主軸拉刀系統(tǒng)碟形彈簧之并串聯(lián)(以并串聯(lián)上調(diào)整拉刀力)主軸拉刀系統(tǒng)主軸拉刀系統(tǒng)碟形彈簧之并串聯(lián)(以并串聯(lián)上調(diào)整拉刀力)主軸拉刀系統(tǒng)主軸拉刀系統(tǒng)碟形彈簧之并串聯(lián)(以并串聯(lián)上調(diào)整拉刀力)l刀具夾持系統(tǒng) 液壓系統(tǒng)(以油壓調(diào)整拉刀力)主軸拉刀系統(tǒng)主軸拉刀系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)主軸刀柄系統(tǒng)l軸承 支持主軸，并限制位移，使主軸繞固定旋轉(zhuǎn)中心運動，此外提供足夠界面剛性，使主軸承受切削力。l滾動

9、軸承(Rolling Bearing)l液靜壓軸承(Hydrostatic Bearing)l液動壓軸承(Hydrodynamic Bearing)l磁浮軸承(Active Magnetic Bearing )主軸軸承主軸軸承 1、角接觸球軸承一般有、角接觸球軸承一般有2列組合（列組合（DB）、）、 3列組合（列組合（DBD）或）或4列組合（列組合（DBB）2、組合軸承內(nèi)外徑的公差都控制在允許公差范圍內(nèi)的、組合軸承內(nèi)外徑的公差都控制在允許公差范圍內(nèi)的1/3.主軸軸承主軸軸承 主軸軸承主軸軸承主軸軸承主軸軸承主軸軸承主軸軸承 速度系數(shù)速度系數(shù)主軸軸承主軸軸承主軸軸承主軸軸承主軸主軸-軸承系統(tǒng)軸承

10、系統(tǒng)l主軸與軸承系統(tǒng)之組合設(shè)計，對主軸剛性的影響。l軸承的選用與配置。l主軸的內(nèi)外徑、懸伸與軸承跨距。主軸襯套管主軸襯套管l主軸襯套管主軸襯套管 提供軸承支撐、冷卻卻水套及主軸安裝介面。主軸主軸-支撐支撐-襯套管襯套管主軸-支撐-襯套管結(jié)構(gòu)系統(tǒng):松刀機構(gòu)常見浮動松刀機構(gòu)機械式倍力設(shè)計刀具松拉刀系統(tǒng)刀具松拉刀系統(tǒng)刀具松拉刀系統(tǒng)刀具松拉刀系統(tǒng)l松刀機構(gòu)常見空壓轉(zhuǎn)液壓增壓缸設(shè)計:刀具松拉刀系統(tǒng)刀具松拉刀系統(tǒng)l松刀機構(gòu)常見空壓轉(zhuǎn)液壓增壓缸設(shè)計:刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)刀具夾持系統(tǒng):利用并串聯(lián)碟形彈簧組合經(jīng)拉桿，瓣爪拉住刀柄拉釘，使刀具斜面與主軸內(nèi)孔斜面緊密接觸，形成足夠的界面剛性。刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)l刀柄結(jié)合面

11、 7/24錐度BT30, BT40, BT50 (日本Bottle Grip 公司)CAT30, CAT40, CAT50 (美國 Catipillar公司)DIN 69871 Form A, Form B: SK40, SK50雙面約束實心刀柄 BBT-40,50 (BIG plus )雙面約束實心刀柄 MBT-40,50(Nikken) 1/10錐度雙面約束中空刀柄HSK A-50, A-63, A-100雙面約束中空刀柄KM A-50,A-63,A-80,A-100刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)刀具結(jié)合面系統(tǒng)- 7/24 錐度刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)l傳統(tǒng)單面接觸時刀柄不適用于高速旋轉(zhuǎn)1. 旋轉(zhuǎn)離心力，溫升2

12、. 刀柄較長，較重刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)刀具夾持系統(tǒng) 雙面約束: 中空刀柄:刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)l刀具結(jié)合面系統(tǒng) 雙面約束中空短刀柄: 更高結(jié)合面剛性，更精密定位及更短換刀時間。刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)l刀具結(jié)合面系統(tǒng) 雙面約束中空短刀柄: 更高結(jié)合面剛性，更精密定位及更短換刀時間。刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)l刀柄長度比較:HSK刀柄長僅有一般1/2刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)剛性比較:刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)重復(fù)精度比較:刀具系統(tǒng)刀具系統(tǒng)重復(fù)精度比較:冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng) 主軸熱源 軸承 電機 切削冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng)主軸電機及軸承因主軸運轉(zhuǎn)產(chǎn)生熱，須以冷卻液帶走，以控制主軸 溫升變形量。大部分主軸以水套環(huán)繞電機定子及軸承外環(huán)，以冷卻液

13、循環(huán)其中，進(jìn)行冷卻。 冷卻循環(huán)一般無法冷卻電機線圈及軸承內(nèi)部，造成外冷內(nèi)熱。冷卻系統(tǒng)冷卻系統(tǒng) 另一種方式以冷空氣為冷卻媒介，可以有效冷卻電機內(nèi)外線圈，降低主軸溫升變形。 許多主軸備有中心出水(CTS，Coolant Thru Spindle) 切削液，亦具有冷卻主軸中心之功能。但對于高轉(zhuǎn)速運用，因冷煤通道不對稱或冷卻液遭或空氣污染而造成主軸/刀具系統(tǒng)不平衡。潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l滾動軸承潤滑系統(tǒng): 油脂潤滑(Grease): 油霧潤滑(Oil Mist): 油氣潤滑(Oil Air): 噴射潤滑(Oil Jet):油霧潤滑(Oil Mist)油氣潤滑(Oil Air)噴射潤滑(Oil Jet)潤滑

14、系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)主軸潤滑技術(shù)比較潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)主軸潤滑技術(shù)比較潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l油脂潤滑(Grease Lubrication) 填充量(grease quantity) 30% free space in bearingQ = qB dm B 10 -3 （SKF）lQ : 油脂量, cm3lqB: 軸承尺寸因子ldm: 軸承平均直徑 = (D+d)/2lB : 軸承寬度潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l油脂潤滑(Grease Lubrication) 結(jié)構(gòu)簡單，組裝測試驗證容易。 成本低。 免維護(hù)。 散熱不易，工作轉(zhuǎn)速比油氣式潤滑低。 油脂會有老化問題。 灰塵及切削液容易侵入。潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)油量與溫升及摩

15、擦損失關(guān)系圖潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l 油潤滑(Oil Lubrication)Q = (M o + M 1 ) nT/ T10-6Q : 油量, l/minMo: 摩擦力矩(load independent)M1:摩擦力矩(load dependent)n : 轉(zhuǎn)速, rpmT: 潤滑油允許溫升潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)油潤滑(Oil Lubrication) 油氣式(oil-air or oil spot)l 滾珠使用潤滑油與空氣混合之后噴入滾珠軌道，DN 值高。l潤滑油消耗量小，消耗功率小，適合高速長時間連續(xù)運轉(zhuǎn)。l發(fā)熱量少，空氣有冷卻效果。l成本高，供油系統(tǒng)續(xù)嚴(yán)格監(jiān)控穩(wěn)定性，否則易瞬間燒毀，油量調(diào)整費時

16、，組裝及制造過程復(fù)雜。潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l油氣式潤滑常見問題油顆粒大，供油間隔須長(8 to 16 minutes)主軸溫度變化大，不穩(wěn)定供油時間間隔長，萬一缺少供油一次，產(chǎn)生影響大供油監(jiān)測困難潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)l 油潤滑(Oil Lubrication) 油霧式(oil/air Mist) 噴射式(oil jet)潤滑系統(tǒng)潤滑系統(tǒng)特殊潤滑系統(tǒng):軌道直接潤滑(Raceway Lubrication):Under-raceRobust series (NSK)主軸密封主軸密封l密封之目的l防止?jié)櫥图坝椭瑥妮S承中泄露出來。l 防止切削液或灰塵、切屑等異物從外部侵入。l密封設(shè)計考慮因素l轉(zhuǎn)速l空間設(shè)計

17、l零件安裝步驟l主要密封方向（立式或臥式）l價格與效果主軸密封主軸密封l密封之目的l防止?jié)櫥图坝椭瑥妮S承中泄露出來。l 防止切削液或灰塵、切屑等異物從外部侵入。l密封設(shè)計考慮因素l轉(zhuǎn)速l空間設(shè)計l零件安裝步驟l主要密封方向（立式或臥式）l價格與效果主軸密封主軸密封密封種類主軸密封主軸密封l迷宮式密封 利用流體經(jīng)過一系列節(jié)流間隙與膨脹空腔組成通道，產(chǎn)生節(jié)流作用，以限 制泄漏之非接觸式動密封。每一個迷宮分隔必須有足夠?qū)挾?，以使壓力于區(qū)域3中降低，逐次消耗能量。中降低，逐次消耗能量。主軸密封主軸密封l過去之研究結(jié)果可歸納出下列數(shù)項結(jié)論：（1）分隔數(shù)增加將可使流體動能降低而使泄漏量減小，但將增加密封

18、件空間之需求，（2）減小間隙C可使泄漏量降低，（3）分隔區(qū)若具有直角轉(zhuǎn)角，將使排放系數(shù)降低，亦即使泄漏量降低，（4）當(dāng)齒厚對間隙C之比增加時，會增加排放系數(shù)，亦即使泄漏量增加，（5）增加齒距或齒深，會使分隔區(qū)中之渦流增大，而造成額外之壓力損失，因而可降低泄漏量。主軸密封主軸密封空穴式(Cavity Type)階梯式(Stepped Type)保護(hù)領(lǐng)式(Protective Collar Type)多重彎道式(Multiple Elbow Type)迷宮式密封增加摩擦，消耗動能，強化阻絕效果主軸密封主軸密封主軸密封主軸密封l傳統(tǒng)迷宮式用于保護(hù)主軸軸承不受污染，確保軸承壽命。 1. 預(yù)防污染物直接

19、噴入主軸 2. 膨脹空間凝結(jié)水氣并 降低速度 3. 排流管設(shè)計 4. 間隙設(shè)計主軸密封主軸密封l常見迷宮軸封設(shè)計主軸密封主軸密封主軸密封主軸密封主軸密封主軸密封 由于煙囪效應(yīng)及主軸內(nèi)部幾何形狀，傳統(tǒng)迷宮軸封無法完全由于煙囪效應(yīng)及主軸內(nèi)部幾何形狀，傳統(tǒng)迷宮軸封無法完全阻絕，污染物仍會逐漸被吸入主軸，空氣正壓式阻絕，污染物仍會逐漸被吸入主軸，空氣正壓式(AirPurge)軸封軸封為有效改善方法。為有效改善方法。主軸密封主軸密封 主軸套的端面與主軸端蓋連接，主軸端蓋內(nèi)設(shè)有環(huán)行的氣腔，主軸端蓋上開有氣流孔隙，主軸套的氣流通道與壓縮空氣泵連接，其中的壓縮空氣可以通過主軸端蓋的環(huán)行氣腔吹出，并在主軸與主軸

20、端蓋之間形成環(huán)型氣幕。由于環(huán)型氣幕使主軸端蓋內(nèi)部與外部始終形成壓力差，保證加工區(qū)域的切削液和切屑不能進(jìn)入主軸前端的軸承里，同時由于主軸端面正壓存在，可以把主軸上的水霧吹走，使其空間始終保持干燥，起到保護(hù)主軸軸承的作用。 主軸密封主軸密封主軸密封主軸密封 由于主軸前后端同時增加了氣體壓力,在該氣體壓力作用下,主軸套筒（箱）內(nèi)的壓力處于平衡狀態(tài)或接近平衡狀態(tài),套筒（箱）體內(nèi)不會產(chǎn)生大流速的空氣對流現(xiàn)象。 在設(shè)計時應(yīng)考慮,向內(nèi)氣環(huán)上的氣阻應(yīng)大于向外氣環(huán)上的氣阻;向內(nèi)氣環(huán)的間隙應(yīng)為0.080.12mm,而向外氣環(huán)的間隙應(yīng)為0.150.20mm,以保證主軸密封處的氣體壓力大于箱體外的壓力。這樣,空氣中的

21、粉塵等雜物在氣壓的作用下不會進(jìn)入主軸密封環(huán)。 設(shè)計時應(yīng)考慮到壓縮空氣的凈化及其干燥。 在一般情況下,作用于氣體隔離環(huán)上的氣體壓力為0.20.4MPa。 主軸電機主軸電機 功率扭矩圖是主軸切削性能的評價基礎(chǔ)，也是評估選用機器的首要參考指標(biāo)，對于使用者而言，選用機器前須了解切削條件需求才能正確選擇規(guī)格。 連續(xù)額定(continuous rated ) :可連續(xù)運轉(zhuǎn)的輸出功率。 30分鐘額定(30min rated): 輸出功率較大,但能承受30分鐘。主軸電機主軸電機l主軸電機與扭矩取決于主軸電機之選用主軸電機于基速(base speed)提供固定扭矩基速后提供固定功率基速主軸電機主軸電機l主軸電機

22、寬域電機:基速低，低速就全功率輸出，扭矩大。 非寬域電機:基速高，扭矩較小。皮帶或齒輪傳動式主軸由齒輪或皮帶輪改變扭矩。直接驅(qū)動式主軸無法由齒輪或皮帶輪改變扭矩，通常于較高轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，不適合重切削。主軸電機主軸電機 主軸電機規(guī)格表主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸速度主軸速度 主軸剛度主軸剛度 主軸精度主軸精度主軸發(fā)熱主軸發(fā)熱 主軸壽命主軸壽命 可靠性可靠性軸承形式軸承形式 配置方式配置方式 預(yù)緊方式預(yù)緊方式驅(qū)動方式驅(qū)動方式 潤滑潤滑 冷卻冷卻軸徑軸徑長度長度 主軸剛度主軸剛度 軸承間距軸承間距危險速度危險速度 極限轉(zhuǎn)速極限轉(zhuǎn)速 軸承型號軸承型號壽命壽命 預(yù)緊力預(yù)緊力 極限靜負(fù)荷極限靜負(fù)荷 精度精度軸承剛度軸承剛度 潤滑壽命潤滑壽命 游隙游隙 發(fā)熱發(fā)熱軸精度軸精度 軸承座精度軸承座精度 公差配合公差配合端蓋壓縮量端蓋壓縮量 螺母預(yù)緊力螺母預(yù)緊力 預(yù)緊確認(rèn)預(yù)緊確認(rèn) 游隙確認(rèn)游隙確認(rèn) 潤滑量潤滑量主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計主軸單元設(shè)計