主轴单元设计.ppt

1、数控机床设计与分析主轴单元设计青海一机数控机床有限责任公司2011年12月5日,课程內容,课程內容,概述 主轴结构主轴轴承刀具系统冷却系统润滑系统密封系统主轴电机,概 述,加工中心市场需求,概 述,数控机床高速切削关键技术,概 述,主轴为数控机床进行加工时，直接带动刀具或工件旋转，进行切削、磨削.等加工程序之重要单元。带动工件旋转，如车床。带动刀具旋转，如铣床。,概 述,主轴设计之性能指标主轴刚性:径向与轴向最高转速:安全持续运转极限转速主轴功率:连续输出额定功率与最大功率影响刚度与转速的因素,概 述,主轴设计主要因素主轴驱动方式:齿轮/皮带式，直接式，内藏式主轴轴承:轴承形式，数量，组装方式

2、，润滑主轴电机:电机型式，功率，尺寸主轴结构:刀柄拉杆，刀柄型式,概 述,依驱动方式分为:齿轮式优点：传动系统扭转刚性大，能承受低速高扭矩负载适合低速大切深加工，但主轴刚性需加大缺点：效率低，传输功率损耗大，噪音大，油污染高速受限制齿轮及箱体制造成本高齿轮造成轴承负荷,概 述,依驱动方式分为:皮带式优点：高张力低噪音齿型设计，高速时噪音比齿轮式低组装，维修容易，成本低缺点：传动系统挠性大，扭转刚性低 皮带造成轴承负荷 高速运转受皮带限制而无法提高 超负荷切削易使皮带滑移。,概 述,依驱动方式分为:电机内藏式优点：电磁能直接转换为机械能，无传动功率损耗，亦无须考虑如 DDS 主轴联轴器的刚性问题

3、 此外电机具有双线圈两段输出功率，具备低速高扭矩功能 低速重切削能力大约介于齿轮式与皮带式之间 高速切削能力则较优。缺点：制造及材料成本高，组装复杂，维修困难度高 线圈发热易影响主轴温升。,概 述,依驱动方式分为:直結式优点：高速化，噪音低于皮带式主轴 直接电磁能 机械能转换 低傳传输功率损耗 低速重切削不会有皮带式之跳脱打滑问题缺点：系统总组合长度拉长，组装精度要求高，使用在C-型架重量集中前端。动平衡校正较困难，联轴器易受切削激振松脱。,概 述,各式主轴:,液体静压主轴,主轴结构,主轴轴承刀具夹持系统冷却系统润滑系统密封其他,主轴结构,主轴结构,加工中心(Machinning Center

4、),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主轴结构,加工中心(machining Center),主 轴,主轴之心轴为一多段式中空阶梯梁，是主轴单元重要结构元件。功能提供主轴所需刚性。提供刀柄介面及刀具夹持系统。与轴承组成主轴-轴承系统，为主轴旋转组件。提供主轴中心出水(CTS)机构(部分系统)。,设

5、计考虑因素等效惯性矩:各阶段的长度与截面尺寸设计。轴承间之跨距:轴承间距离影响主轴负荷变形量。悬伸量:前端轴承至刀柄介面距离。,主 轴,主轴端部,主轴锥孔,主轴端部,主轴锥孔,加工中心的主轴锥孔通常分为两大类，即锥度为7:24的通用系统和1:10的HSK真空系统。锥度为7:24的通用刀柄通常有五种标准和规格，即NT（传统 型）、DIN 69871（德国标准）、IS0 7388/1（国际标准）、MAS BT（日本标准）以及ANSI/ASME（美国标准）。1:10 HSK真空刀柄的德国标准是DIN69873。有六种标准和规格，即 HSK-A、HSK-B、HSK-C、HSK-D、HSK-E和HSK-

6、F，常用的有三 种：HSK-A(带内冷自动换刀)、HSK-C(带内冷手动换刀)和HSK-E(带内冷 自动换刀，高速型)。7:24的通用刀柄是靠刀柄的7:24锥面与机床主轴孔的7:24锥面接 触定位连接的，在高速加工、连接刚性和重合精度三方面有局限性。HSK真空刀柄靠刀柄的弹性变形，不但刀柄的1:10锥面与机床主轴孔的1:10锥面接触，而且使刀柄的法兰盘面与主轴面也紧密接触，这种双面接触系统在高速加工、连接刚性和重合精度上均优于7:24的HSK刀柄。其中常用于加工中心(自动换刀)上的有A型、E型和F型。,主轴接口形式,刀具结合面系统,HSK:1/10 空心短刀柄,KM:1/10 空心短刀柄,-1

7、/10 錐度,主轴接口形式,主轴端部,30-60号 GB/T3837-2001主轴端部 结构尺寸,主轴端部尺寸,主轴端部键槽及键块,主轴端面键,主轴端部端面键尺寸,主轴端部,主轴锥孔,ISO 9524-1993机床 加工中心主轴端部 结构尺寸,主轴拉刀机构,主轴拉刀系统,碟形弹簧之并串联(以并串联上调整拉刀力),主轴拉刀系统,碟形弹簧之并串联(以并串联上调整拉刀力),主轴拉刀系统,碟形弹簧之并串联(以并串联上调整拉刀力),刀具夹持系统 液压系统(以油压调整拉刀力),主轴拉刀系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴刀柄系统,主轴

8、刀柄系统,主轴刀柄系统,轴承 支持主轴，并限制位移，使主轴绕固定旋转中心运动，此外提供足夠界面刚性，使主轴承受切削力。滚动轴承(Rolling Bearing)液静压轴承(Hydrostatic Bearing)液动压轴承(Hydrodynamic Bearing)磁浮轴承(Active Magnetic Bearing),主轴轴承,角接触球轴承的组合,1、角接触球轴承一般有2列组合（DB）、3列组合（DBD）或4列组合（DBB）2、组合轴承内外径的公差都控制在允许公差范围内的1/3.,主轴轴承,作用点距离与负荷方向,背对背组合DB 面对面组合DF 并列组合DT3列组合DBD 4列组合DBB,

9、主轴轴承,轴承组合方式,2列组合：DB/DF/DT3列组:DBD/DFD/DTD4列组合:DBB/DFF/DBT/DFT/DTT不同的组合：承受负荷方向、扭转刚度、高速性能、发热和径向刚度各有不同。,主轴轴承,轴承组合后弯曲性能比较,径向位移：背对背组合DB面对面组合DF,刚度：背对背组合DB面对面组合DF,载荷1000N,作用点的距离对主轴的弯曲有着较大影响,主轴轴承,极限转速,用单个轴承组合成2列、3列、4列组合使用为提高主轴刚度而加大预紧力时,极限转速会随之下降,速度系数,主轴轴承,影响预紧力变化的因素,主轴轴承,主轴-轴承系统,主轴与轴承系统之组合设计，对主轴刚性的影响。,轴承的选用与

10、配置。主轴的内外径、悬伸与轴承跨距。,主轴衬套管,主轴衬套管 提供轴承支撑、冷却卻水套及主轴安装介面。,主轴-支撑-衬套管,主轴-支撑-衬套管结构系统:,松刀机构,常见浮动松刀机构,机械式倍力设计,刀具松拉刀系统,刀具松拉刀系统,松刀机构常见空压转液压增压缸设计:,刀具松拉刀系统,松刀机构常见空压转液压增压缸设计:,刀具系统,刀具夹持系统:,利用并串联碟形弹簧组合经拉杆，瓣爪拉住刀柄拉钉，使刀具斜面与主轴內孔斜面紧密接触，形成足夠的界面刚性。,刀具系统,刀柄结合面 7/24锥度BT30,BT40,BT50(日本Bottle Grip 公司)CAT30,CAT40,CAT50(美国 Catipi

11、llar公司)DIN 69871 Form A,Form B:SK40,SK50双面约束实心刀柄 BBT-40,50(BIG plus)双面约束实心刀柄 MBT-40,50(Nikken)1/10錐度双面约束中空刀柄HSK A-50,A-63,A-100双面约束中空刀柄KM A-50,A-63,A-80,A-100,刀具系统,刀具结合面系统-7/24 锥度,BT,CAT,SKFrom A,刀具系统,传统单面接触时刀柄不适用于高速旋转1.旋转离心力，温升2.刀柄较长，较重,刀具系统,刀具夹持系统 双面约束:中空刀柄:,刀具系统,刀具结合面系统 双面约束中空短刀柄:更高结合面刚性，更精密定位及更短

12、换刀时间。,刀具系统,刀具结合面系统 双面约束中空短刀柄:更高结合面刚性，更精密定位及更短换刀时间。,刀具系统,刀柄长度比较:HSK刀柄长仅有一般1/2,刀具系统,刚性比较:,刀具系统,重复精度比较:,刀具系统,重复精度比较:,冷却系统,冷却系统 主轴热源 轴承 电机 切削,冷却系统,主轴电机及轴承因主轴运转产生热，须以冷却液带走，以控制主轴 温升变形量。大部分主轴以水套环绕电机定子及轴承外环，以冷却液循环其中，进行冷却。冷却循环一般无法冷却电机线圈及轴承內部，造成外冷內热。,冷却系统,另一种方式以冷空气为冷却媒介，可以有效冷却电机內外线圈，降低主轴温升变形。许多主轴备有中心出水(CTS，Co

13、olant Thru Spindle)切削液，亦具有冷却主轴中心之功能。但对于高转速运用，因冷煤通道不对称或冷却液遭或空气污染而造成主轴/刀具系统不平衡。,润滑系统,滚动轴承润滑系统:油脂润滑(Grease):油雾润滑(Oil Mist):油气润滑(Oil Air):喷射润滑(Oil Jet):,油雾润滑(Oil Mist),油气润滑(Oil Air),喷射润滑(Oil Jet),润滑系统,主轴润滑技术比较,润滑系统,主轴润滑技术比较,润滑系统,油脂润滑(Grease Lubrication)填充量(grease quantity)30%free space in bearingQ=qB dm

14、 B 10-3（SKF）Q:油脂量,cm3qB:轴承尺寸因子dm:轴承平均直径=(D+d)/2B:轴承宽度,润滑系统,油脂润滑(Grease Lubrication)结构简单，组装测试验证容易。成本低。免维护。散热不易，工作转速比油气式润滑低。油脂会有老化问题。灰尘及切削液容易侵入。,润滑系统,油量与温升及摩擦损失关系图,润滑系统,油润滑(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:转速,rpmT:润滑油允许温升,润滑系统,油润滑(Oil Lubri

15、cation)油气式(oil-air or oil spot)滚珠使用润滑油与空气混合之后喷入滚珠轨道，DN 值高。润滑油消耗量小，消耗功率小，适合高速长时间连续运转。发热量少，空气有冷却效果。成本高，供油系统续严格监控稳定性，否则易瞬间烧毁，油量调整费时，组装及制造过程复杂。,润滑系统,油气式润滑常见问题油顆粒大，供油间隔须长(8 to 16 minutes)主轴温度变化大，不稳定供油时间间隔长，万一缺少供油一次，产生影响大供油监测困难,润滑系统,油润滑(Oil Lubrication)油雾式(oil/air Mist)喷射式(oil jet),润滑系统,特殊润滑系統:轨道直接润滑(Race

16、way Lubrication):Under-race,Robust series(NSK),主轴密封,密封之目的防止润滑油及油脂从轴承中泄露出來。防止切削液或灰尘、切屑等异物从外部侵入。密封设计考虑因素转速空间设计零件安装步骤主要密封方向（立式或卧式）价格与效果,主轴密封,密封之目的防止润滑油及油脂从轴承中泄露出來。防止切削液或灰尘、切屑等异物从外部侵入。密封设计考虑因素转速空间设计零件安装步骤主要密封方向（立式或卧式）价格与效果,主轴密封,密封种类,主轴密封,迷宫式密封 利用流体经过一系列节流间隙与膨胀空腔组成通道，产生节流作用，以限 制泄漏之非接触式动密封。,每一个迷宫分隔必须有足够宽度

17、，以使压力于区域3中降低，逐次消耗能量。,主轴密封,过去之研究结果可归纳出下列数项结论：（1）分隔数增加将可使流体动能降低而使泄漏量減小，但将增加密封件空间之需求，（2）减小间隙C可使泄漏量降低，（3）分隔区若具有直角转角，将使排放系数降低，亦即使泄漏量降低，（4）当齿厚对间隙C之比增加时，会增加排放系数，亦即使泄漏量增加，（5）增加齿距或齿深，会使分隔区中之涡流增大，而造成额外之压力损失，因而可降低泄漏量。,主轴密封,空穴式(Cavity Type)阶梯式(Stepped Type)保护领式(Protective Collar Type)多重弯道式(Multiple Elbow Type),

18、迷宮式密封,增加摩擦，消耗动能，強化阻绝效果,主轴密封,主轴密封,传统迷宮式用于保护主轴轴承不受污染，确保轴承寿命。1.预防污染物直接喷入主轴 2.膨胀空间凝结水气并 降低速度 3.排流管设计 4.间隙设计,主轴密封,常见迷宫轴封设计,主轴密封,主轴密封,主轴密封,空气正压轴封 由于烟囱效应及主轴内部几何形状，传统迷宫轴封无法完全阻绝，污染物仍会逐渐被吸入主轴，空气正压式(AirPurge)轴封为有效改善方法。,主轴密封,主轴套的端面与主轴端盖连接，主轴端盖内设有环行的气腔，主轴端盖上开有气流孔隙，主轴套的气流通道与压缩空气泵连接，其中的压缩空气可以通过主轴端盖的环行气腔吹出，并在主轴与主轴端

19、盖之间形成环型气幕。由于环型气幕使主轴端盖内部与外部始终形成压力差，保证加工区域的切削液和切屑不能进入主轴前端的轴承里，同时由于主轴端面正压存在，可以把主轴上的水雾吹走，使其空间始终保持干燥，起到保护主轴轴承的作用。,主轴空气密封,主轴密封,主轴空气密封,主轴密封,在采用空气隔离气密封时应注意以下几点:由于主轴前后端同时增加了气体压力,在该气体压力作用下,主轴套筒（箱）内的压力处于平衡状态或接近平衡状态,套筒（箱）体内不会产生大流速的空气对流现象。在设计时应考虑,向内气环上的气阻应大于向外气环上的气阻;向内气环的间隙应为0.080.12mm,而向外气环的间隙应为0.150.20mm,以保证主轴

20、密封处的气体压力大于箱体外的压力。这样,空气中的粉尘等杂物在气压的作用下不会进入主轴密封环。设计时应考虑到压缩空气的净化及其干燥。在一般情况下,作用于气体隔离环上的气体压力为0.20.4MPa。,主轴电机,功率扭矩图是主轴切削性能的评价基础，也是评估选用机器的首要参考指标，对于使用者而言，选用机器前须了解切削条件需求才能正确选择规格。连续额定(continuous rated):可连续运转的输出功率。30分钟额定(30min rated):输出功率较大,但能承受30分钟。,主轴电机,主轴电机与扭矩取决于主轴电机之选用主轴电机于基速(base speed)提供固定扭矩基速后提供固定功率,基速,主

21、轴电机,主轴电机宽域电机:基速低，低速就全功率输出，扭矩大。非宽域电机:基速高，扭矩较小。,皮带或齿轮传动式主轴由齿轮或皮带轮改变扭矩。,直接驱动式主轴无法由齿轮或皮带轮改变扭矩，通常于较高转速运转，不适合重切削。,主轴电机,主轴电机规格表,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,主轴单元设计,设计任务1：加工中心主轴单元,主轴单元设计,设计条件1.主轴锥孔BT50；最高转速6000r/min；FANUC电机功率11/15kW（30min）转速1500/6000r/min2.同步齿形皮带传动，皮带轮(8YU60T)节距8mm，齿数60，带有脉冲编码器皮带轮(8YU42T)节距8

22、mm，齿数42。3.轴径:前轴承处90mm，后轴承处 80mm。4.拉刀爪可选用相关标准，松刀行程67mm。5.拉刀力按10000N10%设计，选择气液增压缸松刀。6.主轴单元精度：近轴端0.005mm，300mm处0.008mm,主轴单元设计,设计输出要求,1.0号主轴单元装配图1张，2号 主轴图、支撑套各1张；3号 皮带轮1张，锁紧螺母1张；零件目录一套。2.使用说明书一份，合格证一份3.设计计算书：主轴弯曲静刚度计算、松/拉刀力计算、功率/扭矩图绘制、主轴扭转刚度验算。4.主轴单元装配工艺,主轴单元设计,设计任务2：数控铣床主轴单元,主轴单元设计,设计条件1.主轴锥孔BT40；最高转速8

23、000r/min；FANUC电机功率5.5/7.5kW（30min）转速1500/8000r/min2.同步齿形皮带传动，皮带轮(8YU40T)节距8mm，齿数40，3.轴径:前轴承处70mm，后轴承处 60mm。4.钢球式拉刀机构，松刀行程79mm。5.拉刀力按7500N10%设计，选择气液增压缸松刀。6.主轴单元精度：近轴端0.005mm，300mm处0.008mm,主轴单元设计,1.0号主轴单元装配图1张，2号 主轴图、支撑套各1张；3号 皮带轮1张，锁紧螺母1张；零件目录一套。2.使用说明书一份，合格证一份3.设计计算书：主轴弯曲静刚度计算、松/拉刀力计算、功率/扭矩图绘制、主轴扭转刚度验算。4.主轴单元装配工艺,设计输出要求,