机械主轴
2017-12-14
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机械主轴指的是机床上带动工件或刀具旋转的轴。通常由主轴、轴承和传动件（齿轮或带轮）等组成主轴部件。在机器中主要用来支撑传动零件如齿轮、带轮，传递运动及扭矩，如机床主轴；有的用来装夹工件，如心轴。除了刨床、拉床等主运动为直线运动的机床外，大多数机床都有主轴部件。主轴部件的运动精度和结构刚度是决定加工质量和切削效率的重要因素 [1] 。
衡量主轴部件性能的指标主要是旋转精度、刚度和速度适应性。
1、旋转精度：主轴旋转时在影响加工精度的方向上出现的径向和轴向跳动，主要决定于主轴和轴承的制造和装配质量。
3、速度适应性：允许的最高转速和转速范围，主要决定于轴承的结构和润滑，以及散热条件。
降低轴承的工作温度，经常采用的办法是润滑油。润滑方式有，油气润滑方式、油液循环润滑两种。在使用这两种方式时要注意以下几点：
1、在采用油液循环润滑时，要保证主轴恒温油箱的油量足够充分。
2、油气润滑方式刚好和油液循环润滑相反，它只要填充轴承空间容量的百分之十时即可。
循环式润滑的优点是，在满足润滑的情况下，能够减少摩擦发热，而且能够把主轴组件的一部分热量给以吸收。
对于主轴的润滑同样有两种放式：油雾润滑方式和喷注润滑方式。
10世纪30年代以前，大多数机床的主轴采用单油楔的滑动轴承。随着滚动轴承制造技术的提高，后来出现了多种主轴用的高精度、高刚度滚动轴承。这种轴承供应方便，价格较低，摩擦系数小，润滑方便，并能适应转速和载荷变动幅度较大的工作条件，因而得到广泛的应用。但是滑动轴承具有工作平稳和抗振性好的优点,特别是各种多油楔的动压轴承，在一些精加工机床如磨床上用得很多。50年代以后出现的液体静压轴承，精度高，刚度高，摩擦系数小，又有良好的抗振性和平稳性，但需要一套复杂的供油设备，所以只用在高精度机床和重型机床上。气体轴承高速性能好,但由于承载能力小，而且供气设备也复杂，主要用于高速内圆磨床和少数超精密加工机床上。70年代初出现的电磁轴承，兼有高速性能好和承载能力较大的优点，并能在切削过程中通过调整磁场使主轴作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本较高，可用于超精密加工机床 [2] 。
1、 保证支承刚性；
2、保证回转精度（径向跳动精度、及轴向窜动精度）；
4、内锥及端面的耐磨性（硬度要求）；
5、对主轴组件的静平衡、及动平衡。
油雾、油气润滑采用的油品一般为32号汽轮机油。油润滑的机床主轴开始运转之前应开启油雾或油气润滑系统，主轴停机后再关闭润滑系统。水冷却是主轴冷却的常用方式，要求冷却水有一定的防锈功能，必要时要求对冷却水进行适当过滤，在主轴运转之前应开启冷却系统对主轴开始冷却。机床主轴可以降速使用，但必须按电机的设计特性曲线调整相应的输入电压（变频器输出）参数。采用油雾或油气润滑的主轴还需要保证压缩空气干燥洁净。
主轴的参数不同，对变频器的要求也不同。选择变频器要与机床主轴的参数相匹配，其中变频器额定电流至少为机床主轴的1.3倍，最好在1.5倍以上。主轴常用的润滑方式有三种：油脂、油雾和油气。油脂润滑结构简单，使用方便、绿色环保；油雾润滑可以适应较高的转速，应用也最为广泛，但它对环境有一定的影响；油气润滑效果最好，可适应更高的转速，对环境无污染，但油气润滑装置价格较高。
无级变速
数控机床一般采用直流或交流主轴伺服电动机实现主轴无级变速。
交流主轴电动机及交流变频驱动装置（笼型感应交流电动机配置矢量变换变频调速系统），由于没有电刷，不产生火花，所以使用寿命长，且性能已达到直流驱动系统的水平，甚至在噪声方面还有所降低。因此，应用较为广泛。
主轴传递的功率或转矩与转速之间的关系。当机床处在连续运转状态下，主轴的转速在437~3500r/min范围内，主轴传递电动机的全部功率11kW，为主轴的恒功率区域Ⅱ（实线）。在这个区域内，主轴的最大输出扭矩（245N.m）随着主轴转速的增高而变小。主轴转速在35~437r/min范围内，主轴的输出转矩不变，称为主轴的恒转矩区域Ⅰ（实线）。在这个区域内，主轴所能传递的功率随着主轴转速的降低而减小。电动机超载（允许超载30min）时，恒功率区域和恒转矩区域。电动机的超载功率为15kW，超载的最大输出转矩为334N.m。
分段无级变速
数控机床在实际生产中，并不需要在整个变速范围内均为恒功率。一般要求在中、高速段为恒功率传动，在低速段为恒转矩传动。为了确保数控机床主轴低速时有较大的转矩和主轴的变速范围尽可能大，有的数控机床在交流或直流电动机无级变速的基础上配以齿轮变速，使之成为分段无级变速。
机械主轴加速器的调速范围从3.5到8倍不等，这取决于加速器的制造商。只有一个制造商提供的机械主轴加速器可以提高机器速度10倍，以40,000rpm最大的超速输出2千瓦的功率。
主轴是加工中心的主要组成部分之一，因为它的设计直接影响到加工效率和工件质量。因此，主轴设计（静态和动态刚度，轴的直径，轴承，设计参数等）已得到了深入研究。机床主轴加速器的性能主要取决与为所需的速度和动力传动比的优化设计。尤其是，两个因素必须考虑，因为它们在主轴调速装置的优化设计方面非常重要，这两个因素是最小的体积和最小的传输动能。
为了减轻重量，主轴调速装置的体积必须要最小化，并且不能减少机床操作所需的空间。但是，同样，机械主轴加速器必须要为长期的生产工作而设计，因此，传输动能必须最少以确保最佳的性能。
主轴调速装置的设计导致了基于行星齿轮序列（PGTs）的传动装置的使用，因为行星齿轮序列PGTs提供了一个非常紧凑、高效的解决方案（减少了普通齿轮序列的重量和尺寸），它的速率高，效率高。PGTs还用在许多配备了汽车变速箱的机器设备中，从而延长了机床低速主轴驱动电机的恒功率范围 [3] 。
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