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1、项目二 主传动机械装调v【学习目标】【学习目标】v（1）会选用典型零部件进行数控机床主轴箱的装配）会选用典型零部件进行数控机床主轴箱的装配与调整。与调整。v（2）运用工量夹具对主轴进行静态和动态精度检测。）运用工量夹具对主轴进行静态和动态精度检测。v（3）能对主轴关键零部件进行计算与校核。）能对主轴关键零部件进行计算与校核。v（4）了解电主轴的工作原理及其特性。）了解电主轴的工作原理及其特性。v（5）了解主轴动平衡的测试原理。）了解主轴动平衡的测试原理。项目二 主传动机械装调v【教学内容】【教学内容】v 数控机床主轴传动部件和支承部件的装数控机床主轴传动部件和支承部件的装配与调整，主轴的装配精
2、度检测与调整。配与调整，主轴的装配精度检测与调整。项目二 主传动机械装调v知识点知识点1 主轴传动功能部件及特征主轴传动功能部件及特征 v1.主轴箱结构及特征分析主轴箱结构及特征分析v 数控机床主传动的载体是主轴箱，主轴箱数控机床主传动的载体是主轴箱，主轴箱是机床实现主运动、完成机床切削的重要部是机床实现主运动、完成机床切削的重要部件，如图件，如图2-1所示。所示。项目二 主传动机械装调v知识点知识点1 主轴传动功能部件及特征主轴传动功能部件及特征 v1.主轴箱结构及特征分析主轴箱结构及特征分析v一般而言（以一般而言（以TH6340而言），而言），主轴箱结构具有以下特点主轴箱结构具有以下特点：
3、v （1）在结构上，将主轴组件设计成独立的整体，目的是）在结构上，将主轴组件设计成独立的整体，目的是单独调整，装配、安装及维修均较方便。单独调整，装配、安装及维修均较方便。v （2）主轴采用中低碳合金钢（如）主轴采用中低碳合金钢（如38CrMnALA）材料，）材料，经热处理（如氮化磨削工艺），具有较好的精度保持性。经热处理（如氮化磨削工艺），具有较好的精度保持性。v （3）适当加大主轴前轴颈的直径，目的是保证机床具有）适当加大主轴前轴颈的直径，目的是保证机床具有足够的刚性。足够的刚性。项目二 主传动机械装调v碳素钢以含碳量的多少来区分（碳素钢以含碳量的多少来区分（低低0.65%）v铁和钢的区别
4、？（铁和钢的区别？（0.2%、0.21.7%、1.7%）v氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原氮化处理是指一种在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的子渗入工件表层的化学热处理工艺。经氮化处理的制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高制品具有优异的耐磨性、耐疲劳性、耐蚀性及耐高温的特性。温的特性。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。常见有液体渗氮、气体渗氮、离子渗氮。氮化处理又称为扩散渗氮。氮化处理又称为扩散渗氮。项目二 主传动机械装调v（4）主轴前轴承采用）主轴前轴承采用FAG四件一组角接触轴承成组结构并四件一组角接触轴承成组结构并采用专用锁紧螺母
5、锁紧和采用高级锂基油脂润滑。轴承预紧采用专用锁紧螺母锁紧和采用高级锂基油脂润滑。轴承预紧力一定，承载能力大，极限转速高，同时保证了主轴组件具力一定，承载能力大，极限转速高，同时保证了主轴组件具有较高的刚性和精度。有较高的刚性和精度。v（5）主电动机可采用交流主轴伺服电动机（如）主电动机可采用交流主轴伺服电动机（如FANUC、SIEMENS伺服电动机），通过同步带与主轴相连（或通过伺服电动机），通过同步带与主轴相连（或通过换挡齿轮），具有较大的定向扭矩和切削扭矩。换挡齿轮），具有较大的定向扭矩和切削扭矩。v（6）在主轴的中心设有碟形弹簧自动拉刀机构，拉刀力大，）在主轴的中心设有碟形弹簧自动拉刀机
6、构，拉刀力大，保证机床在切削时不掉刀。保证机床在切削时不掉刀。v（7）在主轴中心孔处和主轴前支承处设有自动吹气装置，）在主轴中心孔处和主轴前支承处设有自动吹气装置，以保证换刀时清洁刀柄和机床加工时冷却水不会渗入主轴前以保证换刀时清洁刀柄和机床加工时冷却水不会渗入主轴前支承。支承。项目二 主传动机械装调v知识点知识点1 主轴传动功能部件及特征主轴传动功能部件及特征 v2主轴常用轴承主轴常用轴承v 对机床主轴来说，轴承的刚度是一项重要的特征对机床主轴来说，轴承的刚度是一项重要的特征值，但通过相应的轴承预紧是可以改变的。主轴转值，但通过相应的轴承预紧是可以改变的。主轴转速越高角接触球轴承的接触角越大
7、。速越高角接触球轴承的接触角越大。15的角接触球的角接触球轴承要比轴承要比25的角接触球轴承能承受的转速更高。在的角接触球轴承能承受的转速更高。在极高的工作转速下，可使用以陶瓷（氮化硅）球为极高的工作转速下，可使用以陶瓷（氮化硅）球为滚动体的混合主轴轴承，即用陶瓷球代替一般的钢滚动体的混合主轴轴承，即用陶瓷球代替一般的钢球。图球。图2-2所示数控机床主轴常用轴承。所示数控机床主轴常用轴承。项目二 主传动机械装调v角接触球轴承可以同时承受一个方向的轴向力和径向力。滚动体受力点上下两点的连线，和径向方向有一定的夹角（接触角）。此类轴承为角接触轴承。项目二 主传动机械装调 数控机床主轴的支承主要采用
8、图三种形式。数控机床主轴的支承主要采用图三种形式。1）图）图(a)所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承所示结构的前支承采用双列短圆柱滚子轴承和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向和双向推力角接触球轴承组合，后支承采用成对向心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足心推力球轴承。这种结构的综合刚度高，可以满足强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形强力切削要求，是目前各类数控机床普遍采用的形式。式。双列推力角接触球轴承圆柱滚子轴承向心推力球轴承项目二 主传动机械装调v2）图）图(b)所示结构的前支承采用多个高精度所示结构的前支承采用多个高精度向心推力球轴承，后支承采用单个向心推力向
9、心推力球轴承，后支承采用单个向心推力球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能球轴承。这种配置的高速性能好，但承载能力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。力较小，适用于高速、轻载和精密数控机床。向心推力球轴承角接触球轴承项目二 主传动机械装调v图图(c)所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴所示结构为前支承采用双列圆锥滚子轴承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置承，后支承为单列圆锥滚子轴承。这种配置的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但的径向和轴向刚度很高，可承受重载荷，但这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而这种结构限制了主轴最高转速和精度，因而仅适用于中等精度、低速与重载的数控机床仅适用于中等精
10、度、低速与重载的数控机床主轴。主轴。双列圆锥滚子轴承单列圆锥滚子轴承项目二 主传动机械装调v3.机械主轴的拉松刀机构机械主轴的拉松刀机构v 在现代加工中，为使高速主轴在加工中能具有高在现代加工中，为使高速主轴在加工中能具有高刚度、高精度等优异的性能，机械主轴选用传统的刚度、高精度等优异的性能，机械主轴选用传统的BT刀柄，在高速加工中也占有一定的优势。刀柄，在高速加工中也占有一定的优势。拉刀机拉刀机构采用两面定位的主轴构采用两面定位的主轴/刀柄接口刀柄接口，为保证主轴刀柄，为保证主轴刀柄端面和锥面的可靠联接，充分发挥工具系统的优异端面和锥面的可靠联接，充分发挥工具系统的优异性能，性能，必须配备一
11、个高效夹紧机构来提供足够大的必须配备一个高效夹紧机构来提供足够大的夹紧力，保证刀柄端面和主轴端面的可靠接触。夹紧力，保证刀柄端面和主轴端面的可靠接触。项目二 主传动机械装调v 图图2-4所示拉刀机构工具系统中，为主轴所示拉刀机构工具系统中，为主轴/刀柄接口提供夹紧力和松刀功能的装置。刀柄接口提供夹紧力和松刀功能的装置。项目二 主传动机械装调 如图如图2-5所示，刀具夹紧前后的工作示意图。所示，刀具夹紧前后的工作示意图。刀柄与主轴的联接采用膨胀式夹紧机构。刀柄与主轴的联接采用膨胀式夹紧机构。项目二 主传动机械装调v 刀柄结构如图刀柄结构如图2-6所示，其主要有以下四个所示，其主要有以下四个方面的
12、结构特点：方面的结构特点：v(1)两面定位刀柄在正常工作时由两个面接触，两面定位刀柄在正常工作时由两个面接触，即锥面和端面。即锥面和端面。v(2)主轴主轴/刀柄接口采用刀柄接口采用7:24的锥度。的锥度。=18.06项目二 主传动机械装调v (3)刀柄采用薄壁空心结构。为什么这样设刀柄采用薄壁空心结构。为什么这样设计？计？a.跟随主轴锥孔一起弹性变形。跟随主轴锥孔一起弹性变形。b.给夹紧给夹紧机构让出空间。机构让出空间。v (4)短锥结构主轴短锥结构主轴/刀柄接口在同时采用端面刀柄接口在同时采用端面和锥面定位的方式。为什么是短锥？传统的和锥面定位的方式。为什么是短锥？传统的一般是长锥。一般是长
13、锥。a.克服过定位带来的影响。克服过定位带来的影响。b.减减轻刀柄重量。轻刀柄重量。项目二 主传动机械装调v4主轴总成的动平衡主轴总成的动平衡v 如果主轴部件做不到动平衡，在高速旋转运动如果主轴部件做不到动平衡，在高速旋转运动中会产生振动，影响加工质量。中会产生振动，影响加工质量。v主轴部件产生离心力导致不平衡的原因有主轴部件产生离心力导致不平衡的原因有:v a.运动部件的机械结构运动部件的机械结构v b.材料的不均匀性材料的不均匀性v c.加工及装配的不一致性。加工及装配的不一致性。v而对于主轴电动机来说，其不平衡的问题只是源于而对于主轴电动机来说，其不平衡的问题只是源于其轴的安装形式，为什
14、么？其轴的安装形式，为什么？项目二 主传动机械装调v知识点知识点2 主轴刚度、轴承游隙分析及主轴功率计算主轴刚度、轴承游隙分析及主轴功率计算v1主轴刚度分析主轴刚度分析v 主轴组件是机床的重要组成部分之一。主轴组件主轴组件是机床的重要组成部分之一。主轴组件的工作性能，对工件的加工质量和机床生产率均有的工作性能，对工件的加工质量和机床生产率均有重要影响。重要影响。v 机床的主轴刚度则是主轴的重要指标之一机床的主轴刚度则是主轴的重要指标之一,它反映它反映了机床抵抗外载荷的能力。了机床抵抗外载荷的能力。对高精度机床而言对高精度机床而言,主轴主轴刚度对机床的性能影响则更为重要。刚度对机床的性能影响则更
15、为重要。项目二 主传动机械装调 先假设主轴的轴承支承是刚性的。受力作用点的挠先假设主轴的轴承支承是刚性的。受力作用点的挠度度 由两部分组成：由两部分组成：ys=yb+y t 。其中，。其中，yb 是由主是由主轴的弯曲变形产生的挠度。轴的弯曲变形产生的挠度。yt 是由主轴的剪切变形是由主轴的剪切变形产生的挠度。产生的挠度。项目二 主传动机械装调项目二 主传动机械装调v 主轴既主轴既受到弯矩作用，又受到转矩作用受到弯矩作用，又受到转矩作用，在转矩的，在转矩的作用下将发生剪切变形。作用下将发生剪切变形。v 实际情况是，在主轴承载后，轴承支承和主轴都实际情况是，在主轴承载后，轴承支承和主轴都发生变形，
16、这两部分的变形对主轴上的齿轮啮合状发生变形，这两部分的变形对主轴上的齿轮啮合状况都有影响。此处仅分析轴的变形，在以后的分析况都有影响。此处仅分析轴的变形，在以后的分析中，单独考虑轴承的刚度问题，把所得的结果在计中，单独考虑轴承的刚度问题，把所得的结果在计算方向上矢量叠加，便可以得出齿轮支承系统的变算方向上矢量叠加，便可以得出齿轮支承系统的变形对其传动的影响。形对其传动的影响。项目二 主传动机械装调v2轴承与主轴箱、轴的配合间隙分析轴承与主轴箱、轴的配合间隙分析v 轴承外圈与主轴箱相配合，轴承内圈与轴相轴承外圈与主轴箱相配合，轴承内圈与轴相配合。配合。采用基孔制过盈配合采用基孔制过盈配合，轴承与
17、轴颈和，轴承与轴颈和箱体外壳配合时，过盈量使其内圈膨胀、外箱体外壳配合时，过盈量使其内圈膨胀、外圈收缩而使径向游隙减小。可以估算由配合圈收缩而使径向游隙减小。可以估算由配合引起的游隙减少量为引起的游隙减少量为项目二 主传动机械装调v轴承游隙又称为轴承间隙。所谓轴承游隙，轴承游隙又称为轴承间隙。所谓轴承游隙，即指轴承在未安装于轴或轴承箱时，将其内即指轴承在未安装于轴或轴承箱时，将其内圈或外圈的一方固定，然后便轴承游隙未被圈或外圈的一方固定，然后便轴承游隙未被固定的一方做径向或轴向移动时的移动量。固定的一方做径向或轴向移动时的移动量。根据移动方向，可分为径向游隙和轴向游隙。根据移动方向，可分为径向
18、游隙和轴向游隙。运转时的游隙（称做工作游隙）的大小对轴运转时的游隙（称做工作游隙）的大小对轴承的滚动疲劳寿命、温升、噪声、振动等性承的滚动疲劳寿命、温升、噪声、振动等性能有影响。能有影响。导致轴承游隙的因素还有导致轴承游隙的因素还有v（1）轴承内外圈与滚子间的磨损导致游隙值）轴承内外圈与滚子间的磨损导致游隙值增大；增大；v（2）轴承在主轴运转过程中，由于轴与外壳）轴承在主轴运转过程中，由于轴与外壳的散热条件的不同，使内圈和外圈之间产生的散热条件的不同，使内圈和外圈之间产生温度差，从而会导致游隙值的缩小；温度差，从而会导致游隙值的缩小；v（3）由于轴与外壳材料因膨胀系数不同，会）由于轴与外壳材料
19、因膨胀系数不同，会导致游隙值的缩小或增大。导致游隙值的缩小或增大。项目二 主传动机械装调v3轴承的载荷游隙轴承的载荷游隙v 轴承受载荷时将出现弹性变形轴承受载荷时将出现弹性变形,该变形将引该变形将引起径向游隙和轴向游隙。具体的计算公式起径向游隙和轴向游隙。具体的计算公式轴承类型轴承类型径向间隙径向间隙r r轴向间隙轴向间隙a a调心球轴承调心球轴承深沟球轴承深沟球轴承角接触球轴承角接触球轴承项目二 主传动机械装调v总之，轴承支承部分的影响误差可以综合为总之，轴承支承部分的影响误差可以综合为径向误差和轴向误差。径向误差和轴向误差。v这些位移量直接影响主轴的装配精度与加工这些位移量直接影响主轴的装
20、配精度与加工精度。精度。项目二 主传动机械装调v知识点知识点3 机械主轴的装配与检测机械主轴的装配与检测v 主轴部件的正确安装、检验测试、空运转是数控主轴部件的正确安装、检验测试、空运转是数控机床的重要安装工序。机床的重要安装工序。v1）主轴的装配技术要求）主轴的装配技术要求(TH6340G型交换台卧式加型交换台卧式加工中心为例工中心为例)：v（1）主轴锥孔轴线的径向跳动，具体如下）主轴锥孔轴线的径向跳动，具体如下:v靠近主轴端面处：靠近主轴端面处：0.008mm。v距主轴端面距主轴端面300mm处：处：0.020mm。v轴的轴向窜动：轴的轴向窜动：0.008mm。（如何测量）。（如何测量）项
21、目二 主传动机械装调项目二 主传动机械装调v2）主轴装配与检测实施）主轴装配与检测实施vTH6340交换台卧式加工中心主轴交换台卧式加工中心主轴主轴内部结主轴内部结构如图构如图2-10所示。所示。项目二 主传动机械装调v（1）清洗；清洗；v（2）复核各零件的配合尺寸；复核各零件的配合尺寸；v（3）复核主轴锥孔；圆锥塞规，红丹油，）复核主轴锥孔；圆锥塞规，红丹油，接触面大于接触面大于75%；v （4）主轴内部零部件装配；拉杆组件、碟）主轴内部零部件装配；拉杆组件、碟形弹簧等；形弹簧等；项目二 主传动机械装调v（5）装配主轴轴承组，顺序安厂家说明书装配主轴轴承组，顺序安厂家说明书的要求做。轴承与主
22、轴的配合为过渡配合的要求做。轴承与主轴的配合为过渡配合JS级，公差等级为级，公差等级为56级，不易装入，硬打入级，不易装入，硬打入不行，方法：不行，方法：v a.压入发；压入发；v b.热装法；热装法；v c.冷装法。冷装法。v（6）检测主轴箱体与主轴套配合的内孔精度。）检测主轴箱体与主轴套配合的内孔精度。v主轴装入主轴套里，然后再装入主轴箱里。主轴装入主轴套里，然后再装入主轴箱里。项目二 主传动机械装调v（7）试车）试车-专用试车设备。按规定完成试车专用试车设备。按规定完成试车的各种项目，查看主轴轴承温度是否稳定，的各种项目，查看主轴轴承温度是否稳定，要求轴承要求轴承40，其他结构，其他结构
23、30。v（8）检验主轴精度）检验主轴精度v a.锥孔的径向圆跳动。锥孔的径向圆跳动。0.008、0.02v b.轴向窜动。轴向窜动。0.008项目二 主传动机械装调v定向装配法：定向装配就是人为地控制各装配件径定向装配法：定向装配就是人为地控制各装配件径向跳动误差的方向，使误差相互抵消而不是累积，向跳动误差的方向，使误差相互抵消而不是累积，以提高装配精度的一种方法。装配前须对主轴锥孔以提高装配精度的一种方法。装配前须对主轴锥孔轴线偏差及轴承内外圈径向跳动进行测量，确定误轴线偏差及轴承内外圈径向跳动进行测量，确定误差大小和方向并做好标记。差大小和方向并做好标记。v 定向装配前必须先分别测出轴承内
24、圈内孔的径向定向装配前必须先分别测出轴承内圈内孔的径向圆跳动误差和主轴锥孔中心线的误差，并记录好误圆跳动误差和主轴锥孔中心线的误差，并记录好误差方向。差方向。项目二 主传动机械装调v知识点知识点4 电主轴电主轴v 主轴就是把电动机转子和主轴做成一体而主轴就是把电动机转子和主轴做成一体而得到的主轴。得到的主轴。v 机床采用集成内装形式电主轴的结构机床采用集成内装形式电主轴的结构，取，取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，主消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的实
25、现了机床主轴的“零间隙传动零间隙传动”。项目二 主传动机械装调v滚动轴承定向装配时要主轴的装配与检测保证：滚动轴承定向装配时要主轴的装配与检测保证：v（1）主轴前轴承的径向圆跳动量比后轴承的径向圆）主轴前轴承的径向圆跳动量比后轴承的径向圆跳动量小；跳动量小；v（2）前、后两个轴承径向圆跳动量最大的方向置于）前、后两个轴承径向圆跳动量最大的方向置于同一轴向截面内，并位于旋转中心线的同一侧；同一轴向截面内，并位于旋转中心线的同一侧；v（3）前、后两个轴承径向圆跳动量最大的方向与主）前、后两个轴承径向圆跳动量最大的方向与主轴锥孔中心线的偏差方向相反。轴锥孔中心线的偏差方向相反。项目二 主传动机械装调
26、v知识点知识点4 电主轴电主轴v 主轴就是把电动机转子和主轴做成一体而主轴就是把电动机转子和主轴做成一体而得到的主轴。得到的主轴。v 机床采用集成内装形式电主轴的结构机床采用集成内装形式电主轴的结构，取，取消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，主消了带传动和齿轮传动等中间传动环节，主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，传动链的长度缩短为零，实现了机床主轴的实现了机床主轴的“零间隙传动零间隙传动”。项目二 主传动机械装调v电主轴实际上就是将内装式电动机和机床主电主轴实际上就是将内装式电动机和机床主轴轴“合二为一合二为一”，即采用无外壳电
27、动机，将其，即采用无外壳电动机，将其空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷空心转子直接套装在机床的主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形却套的定子则安装在主轴单元的壳体内，形成内装式电动机主轴成内装式电动机主轴(Build-in Motor spindle)。项目二 主传动机械装调v电主轴主要具有以下特点：电主轴主要具有以下特点：v （1）高速电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、）高速电主轴结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，可改善主轴的动平衡，响应特性好，可改善主轴的动平衡，v减少振动和噪声减少振动和噪声;v （2）电主轴系统取消了带传动和齿轮传动等中）电主轴系统取消了带传动和齿
28、轮传动等中间传动环节，消除了传动误差间传动环节，消除了传动误差;v （3）电主轴回转时具有极大的角加速度，能在）电主轴回转时具有极大的角加速度，能在短时间内实现高速变化短时间内实现高速变化;项目二 主传动机械装调v（4）电动机内置于主轴两支承之间，可提高）电动机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就提高了系统的主轴系统的刚度，也就提高了系统的v固有频率，从而提高了其临界转速，电主轴固有频率，从而提高了其临界转速，电主轴可以确保正常运行转速低于临界转速，保证可以确保正常运行转速低于临界转速，保证高速回转时的安全高速回转时的安全;v （5）电主轴采用交流变频调速和向量控制，）电主轴采用交
29、流变频调速和向量控制，具有输出功率大、调速范围宽和功率具有输出功率大、调速范围宽和功率-扭矩特扭矩特性好的特点。性好的特点。电主轴产生的热量大部分由电动机定子产生电主轴产生的热量大部分由电动机定子产生(其热量分其热量分布图见图布图见图2-16)，用循环的冷却水吸收和带走电动机产生的热量用循环的冷却水吸收和带走电动机产生的热量(其散热其散热路线见图路线见图2-17)。作业v1.数控机床主轴的材料一般是什么材料？数控机床主轴的材料一般是什么材料？v2.主轴装配的技术要求是什么主轴装配的技术要求是什么?如何测量如何测量?v3.检验主轴的轴向窜动时为何要在检验棒端检验主轴的轴向窜动时为何要在检验棒端面处粘一钢球面处粘一钢球?v4.主轴端面锥孔主轴端面锥孔7:24的锥面能有自锁功能吗的锥面能有自锁功能吗?v5.简述电主轴的特点？简述电主轴的特点？v化学成份：v碳 C：0.350.42 v硅 Si：0.200.45 v锰 Mn：0.300.60 v硫 S：允许残余含量0.035 v磷 P：允许残余含量0.035 v铬 Cr：1.351.65 v铝 Al：0.701.10 v镍 Ni：允许残余含量0.030 v铜 Cu：允许残余含量0.030 v钼 Mo：0.150.25