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立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1 綜述
1.1 本課題研究的目的和意義
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備就是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策。
總之，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要途徑。
加工中心是典型的集高新技術(shù)于一體的機(jī)械加工設(shè)備，它的發(fā)展代表了一個(gè)國(guó)家設(shè)計(jì)、制造的水平，因此在國(guó)內(nèi)外企業(yè)界都受到了高度重視。本課題的目的是進(jìn)行立式加工中心主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主軸組件作為加工中心的執(zhí)行元件，它帶動(dòng)刀具進(jìn)行切削加工、傳遞運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力及承受切削力等，并需滿足相關(guān)的技術(shù)指標(biāo)要求。
1.2 本課題擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
各類機(jī)床對(duì)其主軸組件的要求，主要是精度問(wèn)題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，主軸能帶動(dòng)工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)期地保持這一性能。主軸組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問(wèn)題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：
1） 旋轉(zhuǎn)精度
指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，主軸前端安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)值滿足要求。目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。
2） 剛度
指主軸組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)。惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值。
3） 抗振性
指主軸組件在切削過(guò)程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。
4） 溫升和熱變形
溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過(guò)高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損。
5） 耐磨性
指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤(rùn)滑方式[1]。
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)綜合考慮以上幾項(xiàng)要求，注意吸收新技術(shù)，以獲得滿意的設(shè)計(jì)方案。
1.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r
1.3.1 加工中心的國(guó)內(nèi)外發(fā)展
對(duì)于高速加工中心，國(guó)外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在以上，最高已達(dá)到。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用化，進(jìn)給速度可提高到，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國(guó)外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在，由于某些機(jī)床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到。國(guó)外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在左右，高的已達(dá)，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國(guó)外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門(mén)式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國(guó)外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國(guó)外加工中心定位精度基本上按德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程以下，定位精度可控制在之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來(lái)加工精度提高的要求，國(guó)外不少公司還都開(kāi)發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。
國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在左右，個(gè)別達(dá)到。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國(guó)內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在，定位精度控制在之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在之內(nèi)。在換刀速度方面，國(guó)內(nèi)機(jī)床多在，無(wú)法與國(guó)際水平相比。
雖然國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國(guó)外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。
國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此之外，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國(guó)外機(jī)床的平均無(wú)故障時(shí)間（MTBF）都在小時(shí)以上，而國(guó)產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國(guó)產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問(wèn)題之一[2～4]。
1.3.2 本課題涉及的主軸部件的研究進(jìn)展
典型加工中心的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要有基礎(chǔ)支承件、加工中心主軸系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、工作臺(tái)交換系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、刀庫(kù)及自動(dòng)換刀裝置以及其他機(jī)械功能部件組成[5]。圖1.1所示為立式加工中心結(jié)構(gòu)圖。
圖1.1 立式加工中心結(jié)構(gòu)圖
1-切削箱 2-X軸伺服電機(jī) 3-Z軸伺服電機(jī) 4-主軸電機(jī)
5-主軸箱 6-刀庫(kù) 7-數(shù)控柜 8-操縱面板
9-驅(qū)動(dòng)電柜 10-工作臺(tái) 11-滑座 12-立柱
13-床身 14-冷卻水箱 15-間歇潤(rùn)滑油箱 16-機(jī)械手
主軸系統(tǒng)為加工中心的主要組成部分，它由主軸電動(dòng)機(jī)、主軸傳動(dòng)系統(tǒng)以及主軸組件成。和常規(guī)機(jī)床主軸系統(tǒng)相比，加工中心主軸系統(tǒng)要具有更高的轉(zhuǎn)速、更高的回轉(zhuǎn)精度以及更高的結(jié)構(gòu)剛性和抗振性。
主軸組件是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動(dòng)件和密封件等組成的。機(jī)床加工時(shí)，主軸帶動(dòng)工件或刀具參與表面成形運(yùn)動(dòng)，所以主軸的精度、剛度和熱變形對(duì)加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率等有著重要的影響[5]。由于加工中心在加工過(guò)程中不進(jìn)行人工調(diào)整，這些影響就更為嚴(yán)重。
機(jī)床主軸軸承發(fā)展，經(jīng)歷了滾、陶、氣浮、磁浮等階段。滾動(dòng)軸承發(fā)展到陶瓷軸承，即鋼球改為陶瓷球，滾道加TiN或CrNi金屬。由于陶瓷球具有高剛度、高硬度、低密度以及低熱脹和低導(dǎo)熱系數(shù)等特點(diǎn)，同時(shí)所用油脂為一次性，終身潤(rùn)滑，大大地提高了滾動(dòng)軸承的性能，所以被廣泛采用[3]。
目前，一般中小規(guī)格的數(shù)控機(jī)床（如車床、銑床、鉆鏜床、加工中心、磨床等）的主軸部件多采用成組高精度滾動(dòng)軸承重型數(shù)控機(jī)床采用液體靜壓軸承，高精度數(shù)控機(jī)床（如坐標(biāo)磨床）采用氣體靜壓軸承，轉(zhuǎn)速達(dá)的主軸則可采用磁力軸承或氮化硅材料的陶瓷滾珠軸承。
數(shù)控機(jī)床的轉(zhuǎn)速高，為減少主軸的發(fā)熱，必須改善軸承的潤(rùn)滑方式。在數(shù)控機(jī)床上的潤(rùn)滑一般采用高級(jí)油脂封入方式潤(rùn)滑，每加一次油脂可使用年。也有用油氣潤(rùn)滑，除在軸承中加入少量潤(rùn)滑油外，還引入壓縮空氣，使?jié)L動(dòng)體上包有油膜起到潤(rùn)滑作用，再用空氣循環(huán)冷卻[4]。
2 方案論證
2.1 主軸
主軸是主軸組件的重要組成部分,機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速﹑功率﹑動(dòng)態(tài)平衡﹑剛性及熱變形特性等對(duì)機(jī)床的剛性和熱穩(wěn)定性都有相當(dāng)程度的影響。因此，設(shè)計(jì)高速數(shù)控機(jī)床的主軸組件時(shí)，主軸應(yīng)滿足高速度和高剛性的要求；設(shè)計(jì)高精度數(shù)控機(jī)床時(shí)，主軸應(yīng)滿足高精度低溫升的要求等[6]。
主軸的主要尺寸參數(shù)包括：主軸的直徑、內(nèi)孔直徑、懸伸長(zhǎng)度和支承跨距。評(píng)價(jià)和考慮主軸的主要尺寸參數(shù)的依據(jù)時(shí)主軸的剛度、結(jié)構(gòu)工藝性和主軸組件的工藝適用范圍。主軸材料的選擇主要根據(jù)剛度、載荷特點(diǎn)、耐磨性和熱處理變形大小等因素確定，主軸材料常采用的有45鋼、GCr15等，須經(jīng)滲氮和感應(yīng)加熱淬火[7]。
機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化[7]。圖2.1所示為幾種機(jī)床上通用的結(jié)構(gòu)形式。
(a) 車床 (b) 銑鏜類機(jī)床 (c) 外圓磨床
(d) 內(nèi)圓磨床 (e) 鉆床鏜床 (f) 數(shù)控鏜床
圖2.1 機(jī)床主軸軸端形式
2.2 主軸組件的支承
2.2.1 主軸軸承的類型
機(jī)床主軸帶著刀具或夾具在支承件中作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，需要傳遞切削扭矩，承受切削抗力，并保證必要的旋轉(zhuǎn)精度。數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。主軸軸承是主軸組件的重要組成部分，它的類型、結(jié)構(gòu)、配置、精度、安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑和冷卻都直接影響了主軸組件的工作性能。在數(shù)控機(jī)床上主軸軸承常用的有滾動(dòng)軸承和滑動(dòng)軸承。
滾動(dòng)軸承摩擦阻力小，可以預(yù)緊，潤(rùn)滑維護(hù)簡(jiǎn)單，能在一定的轉(zhuǎn)速范圍和載荷變動(dòng)范圍下穩(wěn)定地工作。滾動(dòng)軸承由專業(yè)化工廠生產(chǎn)，選購(gòu)維修方便，在數(shù)控機(jī)床上被廣泛采用。但與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承的噪聲大，滾動(dòng)體數(shù)目有限，剛度是變化的，抗振性略差并且對(duì)轉(zhuǎn)速有很大的限制。數(shù)控機(jī)床主軸組件在可能條件下，盡量使用了滾動(dòng)軸承，特別是大多數(shù)立式主軸和主軸裝在套筒內(nèi)能夠作軸向移動(dòng)的主軸。這時(shí)滾動(dòng)軸承可以用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑以避免漏油。圖2.2所示為主軸常用的幾種滾動(dòng)軸承的類型。
(a)雙列圓柱 (b)雙列推力向 (c)雙列圓錐滾 (d)帶凸緣雙列圓柱 (e)帶彈簧的單列圓
滾子軸承 心球軸承 子軸承 滾子軸承 錐滾子軸承
圖2.2 主軸常用的幾種滾動(dòng)軸承的類型
為了適應(yīng)主軸高速發(fā)展的要求，滾珠軸承的滾珠可采用陶瓷滾珠。陶瓷滾珠軸承由于陶瓷材料的質(zhì)量輕，熱膨脹系散小，耐高溫，所以具有離心小、動(dòng)摩擦力小、預(yù)緊力穩(wěn)定、彈性變形小、剛度高的特點(diǎn)。但由于成本較高，在數(shù)控機(jī)床上還未普及使用[7～10]。
數(shù)控機(jī)床主軸支承根據(jù)主軸部件的轉(zhuǎn)速、承載能力及回轉(zhuǎn)精度等要求的不同而采用不同種類的軸承。不同類型主軸軸承的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表2.1。
表2.1 數(shù)控機(jī)床的主軸軸承及其性能[12]
性 能
滾動(dòng)軸承
液體靜壓軸承
氣體靜壓軸承
磁力軸承
陶瓷軸承
旋轉(zhuǎn)精度
一般或較高，在預(yù)緊無(wú)間隙時(shí)較高
高，精度保持性好
一般
同滾動(dòng)軸承
剛 度
一般或較高，預(yù)緊后較高，取決于所用軸
高，與節(jié)流閥形式有關(guān)，薄膜反饋或滑閥反饋很高
較差，因空氣可壓縮，與承載力大小有關(guān)
不及一般滾動(dòng)軸承
比一般滾動(dòng)軸承差
抗 振 性
較差，阻尼比
好，阻尼比
好
較好
同滾動(dòng)軸承
速度性能
用于中、低速，特殊軸承可用于較高速
用于各級(jí)速度
用于超高速
用于高速
用于中、高速，熱傳導(dǎo)率低，不易發(fā)熱
摩擦損耗
較小，
小，
小
很小
同滾動(dòng)軸承
壽 命
疲勞強(qiáng)度限制
長(zhǎng)
長(zhǎng)
長(zhǎng)
較長(zhǎng)
結(jié)構(gòu)尺寸
軸向小，徑向大
軸向大，徑向小
軸向大，徑向小
徑向大
軸向小，徑向大
制造難易
軸承生產(chǎn)專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化
自制，工藝要求高，需要供油設(shè)備
自制，工藝較液壓系統(tǒng)低，需要供氣系統(tǒng)
較復(fù)雜
比滾動(dòng)軸承難
使用維護(hù)
簡(jiǎn)單，用油脂潤(rùn)滑
要求供油系統(tǒng)清潔，較難
要求供氣系統(tǒng)清潔，較易
較難
較難
成 本
低
較高
較高
高
較高
2.2.2 主軸軸承的配置
根據(jù)主軸部件的工作精度、剛度、溫升和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度，合理配置軸承，可以提高主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。采用滾動(dòng)軸承支承，有許多不同的配置形式，目前數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置主要有如圖2.3所示的幾種形式。
(a) (b)
(c) (d)
圖2.3 數(shù)控機(jī)床主軸軸承的配置形式
在圖2.3(a)所示的配置中，前支承采用雙列短圓柱滾子軸承和60o角接觸球軸承組合，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用成對(duì)角接觸球軸承，該配置可滿足強(qiáng)力切削的要求，普遍應(yīng)用于各類數(shù)控機(jī)機(jī)床。
在圖2.3(b)所示的配置形式中，前軸承采用角接觸球軸承，由個(gè)軸承組成一套，背靠背安裝，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用雙列短圓柱滾子軸承，這種配置適用于高速、重載的主軸部件。
在圖2.3(c)所示的配置形式中，前后支承均采用成對(duì)角接觸球軸承，以承受徑向載荷和軸向載荷，角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)，但這種軸承的承載能力小，因而這種配置適用于高速、輕載和精密的數(shù)控機(jī)床主軸。
在圖2.3(d)所示的配置形式中，前支撐采用雙列圓錐滾子軸承，承受徑向載荷和軸向載荷，后支承采用單列圓錐滾子軸承，這種配置徑向和軸向的剛度高，可承受重載荷，尤其能承受較強(qiáng)的動(dòng)載荷，安裝與調(diào)整性能好，但主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高受到限制，因此適用于中等精度，低速與重載荷的數(shù)控機(jī)床主軸[13～15]。
2.2.3 主軸軸承的預(yù)緊
對(duì)主軸滾動(dòng)軸承進(jìn)行預(yù)緊和合理選擇預(yù)緊量，可以提高主軸部件的回轉(zhuǎn)精度、剛度和抗振性。滾動(dòng)軸承間隙的調(diào)整或預(yù)緊，通常是通過(guò)軸承內(nèi)、外圈的相對(duì)軸向移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
1） 軸承內(nèi)圈移動(dòng)
這種方法適用于錐孔雙列圓柱滾子軸承。用螺母通過(guò)套筒推動(dòng)內(nèi)圈在錐形軸頸上做軸向移動(dòng)，使內(nèi)圈變形脹大，在滾道上產(chǎn)生過(guò)盈，從而達(dá)到預(yù)緊的目的。圖2.4所示為幾種軸承內(nèi)圈的預(yù)緊形式。
(a) (b)
(c) (d)
圖2.4 軸承的預(yù)緊形式
圖2.4(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但預(yù)緊量不易控制，常用于輕載機(jī)床主軸部件。
圖2.4(b)用螺母限制內(nèi)圈的移動(dòng)量，易于控制預(yù)緊量。
圖2.4(c)在主軸凸緣上均布數(shù)個(gè)螺釘以調(diào)整內(nèi)圈的移動(dòng)量，調(diào)整方便，但是用幾個(gè)螺釘調(diào)整。易使墊圈歪斜。
圖2.4(d)將緊靠軸承右端的墊圈做成兩個(gè)半環(huán)，可以徑向取出，修磨其厚度可控制預(yù)緊量的大小，調(diào)整精度較高。調(diào)整螺母一般采用細(xì)牙螺紋，便于微量調(diào)整，而且在調(diào)好后要鎖緊防松[15,16]。
2） 修磨座圈
通過(guò)修磨軸承的內(nèi)外座圈，可以調(diào)整軸承的預(yù)緊力。圖2.5所示為兩種修磨的形式。
(a) 修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè) (b) 修磨軸承外圈的內(nèi)側(cè)
圖2.5 修磨軸承座圈
圖2.5(a)為軸承外圍寬邊相對(duì)(背對(duì)背)安裝，這時(shí)修磨軸承內(nèi)圈的內(nèi)側(cè)，使間隙a增大。
圖2.5(b)所示為外圍窄邊相對(duì)(面對(duì)面)安裝，這時(shí)修磨軸承外圈的窄邊。在安裝時(shí)按圖示的相對(duì)關(guān)系裝配，并用螺母或法蘭蓋將兩個(gè)軸承軸向壓攏，使兩個(gè)修磨過(guò)的端面貼緊，這樣能夠使兩個(gè)軸承的滾道之間產(chǎn)生預(yù)緊[12,13]。
另一種方法是將兩個(gè)厚度不同的隔套放在兩軸承內(nèi)、外圈之間，同樣將兩個(gè)軸承軸向相對(duì)壓緊，使?jié)L道之間產(chǎn)生預(yù)緊，隔套調(diào)整法如圖2.6所示[12,15,17]。
(a) (b)
圖2.6 隔套調(diào)整法
2.3 主軸組件的潤(rùn)滑與密封
主軸部件的潤(rùn)滑與密封是機(jī)床使用和維護(hù)過(guò)程中值得重視的兩個(gè)問(wèn)題。良好的潤(rùn)滑效果可以降低軸承的工作溫度和延長(zhǎng)使用壽命。密封不僅要防止灰塵屑末和切削液進(jìn)入，還要防止?jié)櫥偷男孤?
2.3.1 主軸組件的潤(rùn)滑
在數(shù)控機(jī)床上，主軸軸承潤(rùn)滑方式有油脂潤(rùn)滑，油液循環(huán)潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑、油氣潤(rùn)滑等。
1） 油脂潤(rùn)滑方式
這是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。當(dāng)然，如果主軸箱中沒(méi)有冷卻潤(rùn)滑油系統(tǒng)，那么后支承軸承和其他軸承一般采用油脂潤(rùn)滑方式。主軸軸承油脂封入量，通常為軸承空間容積的，切忌隨意填滿。油脂過(guò)多，會(huì)加劇主軸發(fā)熱[13,18]。
采用油脂潤(rùn)滑方式，要采取有效的密封措施，以防止切削液或潤(rùn)滑油進(jìn)入軸承中。
2） 油液循環(huán)潤(rùn)滑
在數(shù)控機(jī)床主軸上，有采用油液循環(huán)潤(rùn)滑方式的。裝有g(shù)amet軸承的主軸，即可使用這種方式。對(duì)一般主軸軸承來(lái)說(shuō)，后支承上采用這種潤(rùn)滑方式比較常見(jiàn)[19]。
圖2.7所示是恒溫油液循環(huán)潤(rùn)滑冷卻方式。
圖2.7 恒溫冷卻主軸箱
由油溫自動(dòng)控制箱控制的恒溫油液，經(jīng)油泵打到潤(rùn)軸箱，一路沿主軸前支承套外圈上的螺旋槽流動(dòng)，帶走主軸軸承所發(fā)出的熱量，另一路通過(guò)主軸箱內(nèi)的分油器，把恒溫油噴射到傳動(dòng)齒輪和傳動(dòng)軸支承軸承上，以帶走它們所產(chǎn)生的熱量[20]。這種方式潤(rùn)滑和降溫效果都很好。
3） 油霧潤(rùn)滑方式
油霧潤(rùn)滑方式是將油液經(jīng)高壓氣體霧化后，從噴嘴成霧狀噴到需潤(rùn)滑部位的潤(rùn)滑方式。由于霧狀油液吸熱性好，又無(wú)油液攪拌作用，所以此方式常用于高速主軸軸承的潤(rùn)滑。但是，油霧容易吹出，污染環(huán)境[13]。
4） 油氣潤(rùn)滑方式
油氣潤(rùn)滑方式是針對(duì)高速主軸而開(kāi)發(fā)的新型潤(rùn)滑方式。它是用極微量油(約油)潤(rùn)滑軸承，以抑制軸承發(fā)熱。其潤(rùn)滑原理如圖2.8所示。
圖2.8 油氣潤(rùn)滑原理圖
1—油箱（帶油位開(kāi)關(guān)） 2—壓力開(kāi)關(guān) 3—定量柱塞式分配器
4—混合物形成閥 5—噴嘴 6—時(shí)間繼電器
7—壓力開(kāi)關(guān) 8—壓力表 9—過(guò)濾器 10—電磁閥 11—泵
油箱中的油位開(kāi)關(guān)和管路中的壓力開(kāi)關(guān)，確保在油箱中無(wú)油或壓力不足時(shí)，能自動(dòng)切斷主電動(dòng)機(jī)電源[14,16]。
2.3.2 主軸組件的密封
主軸的密封有接觸式密封和非接觸式密封。圖2.9是幾種非接觸密封的形式。
(a) (b) (c)
圖2.9 非接觸式密封
1—端蓋 2—螺母
圖2.9(a)是利用軸承蓋與軸的間隙密封，軸承蓋的孔內(nèi)開(kāi)槽是為了提高密封效果。這種密封用在工作環(huán)境比較清潔的油脂潤(rùn)滑處。
圖2.9(b)是在螺母的外圓上開(kāi)鋸齒形環(huán)槽，當(dāng)油向外流時(shí)，靠主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的離心力把油沿斜面甩到端蓋1的空腔內(nèi)，油液流回箱內(nèi)。
圖2.9(c)是迷宮式密封結(jié)構(gòu)，在切削多、灰塵大的工作環(huán)境下可獲得可靠的密封效果，這種結(jié)構(gòu)適用油脂或油液潤(rùn)滑的密封。非接觸式的油液密封時(shí)，為了防漏，重要的是保證回油能盡快排掉，要保證回油孔的暢通[15]。
接觸式密封主要有油氈圈和耐油橡膠密封圈密封，如圖2.10所示[12]。
(a) (b)
圖2.10 接觸式密封
1—甩油環(huán) 2—油氈圈 3—耐油橡膠密封圈
2.4 主軸準(zhǔn)停裝置
主軸準(zhǔn)停裝置是換刀過(guò)程所要求的在加工中心上特有得裝置，也稱之為主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)。由于刀具裝在主軸上，在切削時(shí)得切削轉(zhuǎn)矩不能完全靠錐孔的摩擦力來(lái)傳遞，因此通常在主軸前端設(shè)置一個(gè)凸鍵，當(dāng)?shù)毒哐b入主軸時(shí)，刀柄上的鍵槽必須與此凸鍵對(duì)準(zhǔn)，為保證順利換刀，主軸必須停止在某一固定的角度方向，主軸定向裝置就是為保證主軸換刀時(shí)準(zhǔn)確停止在換刀位置而設(shè)置的。
加工中心的主軸定向裝置有機(jī)械方式和電氣方式(如磁力傳感器檢測(cè)定向)兩種。
機(jī)械方式采用機(jī)械凸輪等機(jī)構(gòu)和光電盤(pán)方式進(jìn)行初定位，然后由一個(gè)定位銷(由液動(dòng)或氣動(dòng))插入主軸上的銷孔或銷槽來(lái)完成精定位，換刀后定位銷退出，主軸才可旋轉(zhuǎn)。采用這種方法定向比較可靠準(zhǔn)確，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜[18～20]。
目前常采用的電氣方式是用磁力傳感器檢測(cè)定向，其工作原理如圖2.11。
圖2.11 電氣式主軸準(zhǔn)停
在主軸上安裝一個(gè)發(fā)磁體與主軸一起旋轉(zhuǎn)，在距離發(fā)磁體旋轉(zhuǎn)外軌跡處固定一個(gè)磁傳感器，磁傳感器經(jīng)過(guò)放大器與主軸控制單元連接，當(dāng)主軸需要定向時(shí)，便可停止在調(diào)整好的位置上。這種定向方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而發(fā)磁體的線速度可達(dá)到以上。由于沒(méi)有機(jī)械摩擦和接觸，同時(shí)定位精度也能夠滿足一般換刀的要求，并且定向時(shí)間短，可靠性較高，所以應(yīng)用的比較廣泛。發(fā)磁體可安裝在一個(gè)圓盤(pán)的邊緣，但這對(duì)較精密的、高轉(zhuǎn)速加工中心主軸來(lái)說(shuō)，由于需要較高的動(dòng)平衡指標(biāo)，就不十分有利。另一種是將發(fā)磁體做成動(dòng)平衡效果很好的圓盤(pán)，使用時(shí)只需要將圓盤(pán)整體裝在主軸上即可。在各種加工中心上采用什么形式的主軸定向裝置，要根據(jù)各自的約束條件來(lái)選擇[17]。
2.5 切屑清除機(jī)構(gòu)
自動(dòng)清除主軸孔內(nèi)的灰塵和切屑是換刀過(guò)程的一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。如果主軸錐孔中落入了切屑，灰塵或其它污物，在拉緊刀桿時(shí)，錐孔表面和刀桿錐柄會(huì)被劃傷，甚至?xí)沟稐U發(fā)生偏斜，破壞刀桿的正確定位，影響零件的加工精度，甚至?xí)沽慵顖?bào)廢。為了保持主軸錐孔的清潔，常采用的方法是使用壓縮空氣吹屑。為了提高吹屑效率，噴氣小孔要有合理的噴射角度，并均勻布置[12,19]。
2.6 本課題的設(shè)計(jì)方案擬定
鑒于上述主軸組件各部分的優(yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)初步?jīng)Q定采用以下方案：
在本課題中，加工中心主要用于銑削作用，所以在主軸軸端采用適用于銑鏜類機(jī)床的軸端。圖2.12所示為銑床主軸的軸端形式。
圖2.12 銑床主軸的軸端形式
主軸軸承是主軸組件的重要部分之一。本課題采用如圖2.13所示的軸承配置形式。
圖2.13 主軸軸承的配置形式
在此種配置形式中，前后支承均采用成對(duì)角接觸球軸承，由于角接觸球軸承能承受徑向載荷也能承受軸向載荷，并且可以通過(guò)內(nèi)外圍之間的相對(duì)位移來(lái)調(diào)整其間隙的大小，同時(shí)角接觸球軸承具有較好的高速性能，主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)[18]，因此此種配置在輕載時(shí)應(yīng)用廣泛。
在本課題中，軸承的預(yù)緊形式將采用隔套調(diào)整法，此方法采用兩個(gè)套調(diào)整，通過(guò)兩個(gè)套的寬度差，調(diào)整軸承的間隙，或在軸承外圈設(shè)隔套，裝配時(shí)用螺母并緊內(nèi)圈獲得所需預(yù)緊力。這種調(diào)整方法不必拆卸軸承，預(yù)緊力的大小全憑工人的經(jīng)驗(yàn)確定。
本課題中主軸組件的潤(rùn)滑方式采用油脂潤(rùn)滑方式，潤(rùn)滑脂的粘度大，不易流失，因此不需要經(jīng)常更換，而且密封也較簡(jiǎn)單，特別適用于立式或套筒式主軸部件，可防止漏油。這也是目前在數(shù)控機(jī)床的主軸軸承上最常用的潤(rùn)滑方式，特別是在前支承軸承上更是常用。在數(shù)控機(jī)床上的潤(rùn)滑一般采用高級(jí)油脂封入方式潤(rùn)滑，所用油脂種類為高級(jí)鋰基油脂或德國(guó)產(chǎn)NBU-15型油脂，每加一次油脂可使用年。
由于本課題采用油脂潤(rùn)滑方式，密封主要是防止外界異物進(jìn)入，所以可采用間隙式或迷宮式密封裝置。本課題采用徑向迷宮式密封。如圖2.14所示為徑向迷宮式密封裝置。
圖2.14 徑向迷宮式密封
迷宮式密封是在組件的轉(zhuǎn)動(dòng)和固定部分之間做成復(fù)雜而曲折的通道，間隙不超過(guò)，并填滿潤(rùn)滑脂。由于這種密封方法能有效地保護(hù)軸承，所以得到廣泛應(yīng)用[16]。
主軸準(zhǔn)停方式采用電氣方式。此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，定位準(zhǔn)確，能夠很好的達(dá)到要求的定位精度。
切屑清除機(jī)構(gòu)則采用壓縮空氣吹屑，此方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且能高效清除金屬殘屑。
綜合以上各部件的特點(diǎn)，現(xiàn)初步確定加工中心主軸組件的傳動(dòng)方案如圖2.15所示。
圖2.15 主軸組件傳動(dòng)示意圖
1—主軸 2—傳動(dòng)軸 3—Z軸滾珠絲杠 4—主軸準(zhǔn)停插銷
5—Z軸進(jìn)給電機(jī) 6—主軸轉(zhuǎn)角位置編碼器 7—齒形帶傳動(dòng)
8—三角帶傳動(dòng) 9—主電機(jī) 10—傳至大箱體升降絲杠齒形帶
11、12—電磁離合器 13—花鍵軸 14—大箱體 15—主軸頭
2.7 進(jìn)度計(jì)劃
第1周~第3周： 查閱資料，翻譯英文資料，攥寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；
第4周~第6周： 查閱資料，進(jìn)行主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；
第7周~第9周： 結(jié)構(gòu)分析與驗(yàn)算；
第10周~第14周：計(jì)算機(jī)繪制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖紙；
第15周~第16周：編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；
第17周~第18周：評(píng)審、答辯。
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