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/ ΔT×10-6
Q : 油量, l/min Mo: 摩擦力矩(load independent) M1:摩擦力矩(load dependent) n : 转速, rpm ΔT: 润滑油允许温升
润滑系统
油润滑(Oil Lubrication) – 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。
数控机床设计与分析 主轴单元设计
主编：苟卫东
青海一机数控机床有限责任公司 2011年12月5日
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
课 程 內 容
概 述
加工中心市场需求
3C 模具
航钛轻合金
高速钻孔攻丝，轻切削面铣 1mm以下小孔径钻孔
概 述
各式主轴:
轴线可动主轴
磁浮主轴
液体静压主轴
液体动压主轴
滚珠轴承主轴
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)
主轴结构
• 加工中心(machining Center)
主轴结构
•加工中心(machining Center)
精度
速度
刚度
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
主轴系统 轴承系统
刚性
轴承系统
转速
润滑系统
冷却系统
支撑系统
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，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
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。
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DT 3列组合DBD 4列组合DBB
主轴轴承
轴承组合方式
高速
硬钢材加工，曲面加工
高速铣削，曲面加工
高精度
汽机车
一般加工
高速铣削，钻孔，攻丝 精密镗孔
高效率
钻孔，攻丝，面铣，镗孔
概 述
数控机床高速切削关键技术
轻量化高刚性结构
工艺(规程，夹具)
高速，高精度 切削
控制器
CAD/CAM
刀具技术
进给系统
主轴系统
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。
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)
主轴拉刀系统
刀具夹持系统 – 液压系统(以油压调整拉刀力)
主轴刀柄系统
主轴刀柄系统
主轴刀柄系统
主轴刀柄系统
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பைடு நூலகம்
•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。
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-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。
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)
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，Coolant 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:
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
主轴轴承
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 )
主轴接口形式
主轴接口形式
刀具结合面系统
- 1/10 錐度
HSK: 1/10 空心短刀柄
KM : 1/10 空心短刀柄
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
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 • 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。
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 Catipillar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
SK From 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，更精密定位及更短换刀时间。
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