数控技术(第七章2).ppt
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1、n四、高速主轴的设计四、高速主轴的设计n80年代以来,数控机床、加工中心、主铀的高速化发展很快,高速年代以来,数控机床、加工中心、主铀的高速化发展很快,高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化,主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化,而普遍采用铝合金零件后,提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。而普遍采用铝合金零件后,提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。对于钢铁等黑色金属的加工,由于刀具寿命的限制,目前的最高主轴对于钢铁等黑色金属的加工,由于刀具寿命的限制,目前的最高主轴转速的转速的Dmn值小于值小于1106m/min已经足够充裕,而铝合金的切削
2、性能已经足够充裕,而铝合金的切削性能就不同,根据日本大限铁工所做的铝合金切削试验,速度的提高,表就不同,根据日本大限铁工所做的铝合金切削试验,速度的提高,表面粗糙度面粗糙度Ra值降低,表值降低,表71是表面租糙度和切削速度的关系。是表面租糙度和切削速度的关系。主铀高速化首要解决的技术问题有三方面:主铀高速化首要解决的技术问题有三方面:(1)高速电动机的控制技术。高速电动机的控制技术。(2)高速轴承的开发高速轴承的开发 高速时选用陶瓷轴承已在加工中心机床上采用,其轴承的高速时选用陶瓷轴承已在加工中心机床上采用,其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成,而内、外因仍用轴承钢制造。陶瓷材料为动滚动体是用陶瓷材
3、料制成,而内、外因仍用轴承钢制造。陶瓷材料为动Si3N4,其优点是重量轻,为轴承钢的,其优点是重量轻,为轴承钢的40,热膨胀率低,是轴承钢的,热膨胀率低,是轴承钢的25;弹性;弹性模量大,是轴承钢的模量大,是轴承钢的15倍。采用陶瓷滚动体,可大大减小离心力和惯性滑倍。采用陶瓷滚动体,可大大减小离心力和惯性滑移,有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵,且有关寿命、可靠移,有利于提高主轴转速。目前的问题是陶瓷价格昂贵,且有关寿命、可靠性试验数据尚不充分需进一步试验和完善。性试验数据尚不充分需进一步试验和完善。(3)冷却润滑技术的研究冷却润滑技术的研究 过去加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑
4、方式,过去加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方式,为了适应主铀转速向更高速化发展的需要,新的润滑冷却方式相继开发出来,为了适应主铀转速向更高速化发展的需要,新的润滑冷却方式相继开发出来,表表7-2所示为减小轴承温升,进而减小轴承内外因的温差,以及为解决高速主所示为减小轴承温升,进而减小轴承内外因的温差,以及为解决高速主铀轴承滚道处进油困难所开发的各种润滑冷却方式。铀轴承滚道处进油困难所开发的各种润滑冷却方式。n1)油气润滑方式。油气润滑方式。这种润这种润滑方式不同于油雾润滑方滑方式不同于油雾润滑方式,油气润滑是用压缩空式,油气润滑是用压缩空气把小油摘送进轴承空隙气把小油摘送进轴承空隙中,油量
5、大小可达最佳值,中,油量大小可达最佳值,压缩空气有散热作用,润压缩空气有散热作用,润滑油可回收,不污染周围滑油可回收,不污染周围空气。图空气。图717是油气润是油气润滑原理图。滑原理图。根据轴承供油量的要根据轴承供油量的要求,定时器的循环时间可求,定时器的循环时间可从从1min到到99min定时,每定时,每次定时时间到二位二通气次定时时间到二位二通气阀开通一次,压缩空气进阀开通一次,压缩空气进入注油器,把少量油带入入注油器,把少量油带入混合室,经节流阀的压缩混合室,经节流阀的压缩空气,经混合室,把油带空气,经混合室,把油带进塑料管道内,油液沿管进塑料管道内,油液沿管道壁被风吹进轴承内,此道壁被
6、风吹进轴承内,此时,油成小油滴状。时,油成小油滴状。n2)喷注润滑方式。喷注润滑方式。这是最近开始采用的新型润滑这是最近开始采用的新型润滑方式。其原理如图方式。其原理如图718所示。它用较大流量的恒所示。它用较大流量的恒温油温油(每个轴承每个轴承34Lmin)喷注到主轴轴承,以喷注到主轴轴承,以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流,而达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流,而是用两台排油泵强制排油。是用两台排油泵强制排油。n 3)突人滚道式润滑方式。突人滚道式润滑方式。内径内径为为100mm的轴承以的轴承以20000r/min的速度旋转时,线速度为的速度旋转时,线速度为100ms以上,轴承周
7、围的空气也伴以上,轴承周围的空气也伴随流动,流速可达随流动,流速可达50m/s要使润要使润滑油突破这层旋转气流很不容滑油突破这层旋转气流很不容易,采用突人滚道式润滑方式易,采用突人滚道式润滑方式则可以可靠地将油送入轴承滚则可以可靠地将油送入轴承滚道处。道处。如图如图719所示为适应该要求所示为适应该要求而设计的特殊轴承。润滑油的而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近,利用高进油口在内滚道附近,利用高速轴承的泵效应,把润滑油吸速轴承的泵效应,把润滑油吸入滚道。若进油口较高,则泵入滚道。若进油口较高,则泵效应差,当进油口接近外该道效应差,当进油口接近外该道时则成为排放口了,油液将不时则成为排
8、放口了,油液将不能进入轴承内部。能进入轴承内部。n 4)电动机内装式主铀。电动机内装式主铀。电动机转子装在主轴上,电动机转子装在主轴上,主铀就是电动机轴,多用在小型加工中心机床上。主铀就是电动机轴,多用在小型加工中心机床上。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。图图720所示为结构示意图以及冷却油流经过路线。所示为结构示意图以及冷却油流经过路线。n 五、天级变速传动链的设计五、天级变速传动链的设计 目前数控机床上采用的主轴目前数控机床上采用的主轴电动机主要是四磁极鼠笼式感电动机主要是四磁极鼠笼式感应电动机,删应电动机,删c交流主铀电动机交流主铀电动
9、机的额定转速的额定转速nd1500rmin,最高转速最高转速nmax=60008000r/min;西门子的交流主铀电动机的;西门子的交流主铀电动机的额定转速额定转速nd=1500rmin;最;最高转速高转速nmax=65009000r/min,从额定转速从额定转速nd到最高转速到最高转速nmax是是恒功率调速,调速范围为。恒功率调速,调速范围为。nmax/nd56从额定转速向低速从额定转速向低速调速是恒转矩调速,恒转矩的调速是恒转矩调速,恒转矩的凋速范围为凋速范围为nd/nmin,由于,由于nmin可以很小,使可以很小,使nd/nmin可以大到可以大到1000以上。在恒功率区工作时,以上。在恒
10、功率区工作时,随着转速的升高,转矩变小,随着转速的升高,转矩变小,功率不变功率不变c在恒转矩区工作时,在恒转矩区工作时,随转速的下降,功率减小,转随转速的下降,功率减小,转矩不变,如图矩不变,如图721所示。所示。若主传动系统采用图若主传动系统采用图713中中b、d形式,由电动机单形式,由电动机单独完成主轴的变速要求,电动机的变速范围则等于主轴的独完成主轴的变速要求,电动机的变速范围则等于主轴的变速范围,在低于额定转速时,转速越低输出的功率越小,变速范围,在低于额定转速时,转速越低输出的功率越小,当机床在低速大转矩切削加工时要求电动机输出较大的当机床在低速大转矩切削加工时要求电动机输出较大的转
11、矩,由于电动机的功率是根据额定转速确定的,为了满转矩,由于电动机的功率是根据额定转速确定的,为了满足机床低速大转矩的要求,就不得不选用大功率电动机。足机床低速大转矩的要求,就不得不选用大功率电动机。这样就会造成在较高转速,特别是在额定转速以上工作时,这样就会造成在较高转速,特别是在额定转速以上工作时,电动机功率远大于机床消耗的功率的后果,造成资源的浪电动机功率远大于机床消耗的功率的后果,造成资源的浪费。费。由于某些数控机休主轴要求的恒功率调运范围远大于由于某些数控机休主轴要求的恒功率调运范围远大于电动机的恒功率范围,因此采用图电动机的恒功率范围,因此采用图7。13a的形式用串联分的形式用串联分
12、级变速箱的办法来扩大恒功率调速范围。变速齿轮的公比级变速箱的办法来扩大恒功率调速范围。变速齿轮的公比的确定与电动机的恒功率调速范围有关,原则上使的确定与电动机的恒功率调速范围有关,原则上使等于等于电动机恒功率调速范围,为适应主轴变速范围的要求,也电动机恒功率调速范围,为适应主轴变速范围的要求,也有使有使大于或小于电机恒功率调速范围。大于或小于电机恒功率调速范围。第三节第三节 数控机床进给传动系统数控机床进给传动系统n 现代数控机床的进给伺服电动机,调速范现代数控机床的进给伺服电动机,调速范围足够宽,其转速可以从每分钟不到一转围足够宽,其转速可以从每分钟不到一转至几千转;转矩足够大,可达到数十至
13、几千转;转矩足够大,可达到数十Nm,甚至百甚至百Nm以上,因此可以把进给伺服电动以上,因此可以把进给伺服电动机直接装到滚珠丝杠上,不需要齿轮降速机直接装到滚珠丝杠上,不需要齿轮降速机构。这就使进给系统的机械传动机构很机构。这就使进给系统的机械传动机构很简单,只剩下滚珠丝杠的问题了。简单,只剩下滚珠丝杠的问题了。n一、滚珠丝杠传动一、滚珠丝杠传动 滚珠丝杠传动是数控机床伺服驱动的重要部滚珠丝杠传动是数控机床伺服驱动的重要部件之一。它的优点是摩擦系数小,传动精度高,件之一。它的优点是摩擦系数小,传动精度高,传动效率高达传动效率高达8598,是普通滑动丝杠传动,是普通滑动丝杠传动的的24倍。滚珠丝杠
14、副的摩擦角小于倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1因此不能自因此不能自锁。如果用于立式升降运动则必须有制动装置。锁。如果用于立式升降运动则必须有制动装置。其动、静摩擦系数之差甚小,有利于防止爬行和其动、静摩擦系数之差甚小,有利于防止爬行和提高进给系统的灵敏度;采用消除反向间隙并硕提高进给系统的灵敏度;采用消除反向间隙并硕紧措施,有助于提高定位精度和刚度。一般情况紧措施,有助于提高定位精度和刚度。一般情况下,滚珠丝杠可以宣接从专门生产厂家订购,无下,滚珠丝杠可以宣接从专门生产厂家订购,无须自行设计制造。须自行设计制造。n(一一)滚珠丝杠的结构滚珠丝杠的结构 图图723为滚珠丝杠的原理图。丝杆为滚珠丝杠的
15、原理图。丝杆1和和螺母螺母3之间填入钢珠之间填入钢珠2,使丝杠和螺母之间,使丝杠和螺母之间为滚动摩擦运动。三者均用轴承钢制成,为滚动摩擦运动。三者均用轴承钢制成,经淬火、磨削、达到足够高的精度。螺纹经淬火、磨削、达到足够高的精度。螺纹的截面为圆弧形其半径赂大于钢球半径。的截面为圆弧形其半径赂大于钢球半径。依回珠方式分为内循环和外循环。依回珠方式分为内循环和外循环。n根据消除间隙和预加载荷的方法不同,又根据消除间隙和预加载荷的方法不同,又分为单螺母法和双螺母法。如图分为单螺母法和双螺母法。如图724所所示。示。n(二二)滚珠丝杠副的消除间隙和预加载荷滚珠丝杠副的消除间隙和预加载荷 滚珠丝杠的传动
16、不允许存在轴向间隙,不仅因滚珠丝杠的传动不允许存在轴向间隙,不仅因为它会造成反向冲击,更主要是产生定位误差,为它会造成反向冲击,更主要是产生定位误差,影响机床的精度稳定性,为了提高进给系统的刚影响机床的精度稳定性,为了提高进给系统的刚度,使滚珠丝杠在过盈条件下工作更为有利,即度,使滚珠丝杠在过盈条件下工作更为有利,即进行预加载荷或称为预紧。进行预加载荷或称为预紧。n 消除间隙和预紧的方法有多种。机床上常用双消除间隙和预紧的方法有多种。机床上常用双螺母法子加载荷。如图螺母法子加载荷。如图725所示。图中所示。图中1是丝杠,是丝杠,2是左螺母,是左螺母,3是钢珠,是钢珠,4是右螺母。固是右螺母。固
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