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实现数控机床主轴的高速发展


   数控机床是现代加工设备的代表产品,机床的高速化是数控机床的发展主要趋势。实现高速化的关键部件仍是机床主轴单元。主轴速度常用dn值(dn值是指主轴轴承的平均直径(mm)与主轴的极限转速(r/min)的乘积)来衡量,随着轴承技术、润滑技术的发展,机床主轴转速在逐年提高。有资料显示,主轴轴承在脂润滑条件下的dn值只能达到0.5×106,但当油气润滑装置开发出来以后,dn值迅速提高到1.0×106,采用新的润滑方式——喷射润滑,可使主轴的dn值达到3.0×106。
  
  主轴的工作性能主要取决轴承的组配技术、预紧技术、动平衡技术、润滑技术、和定位元件设计结构等方面。
  
  主轴轴承润滑
  
  主轴轴承常见的润滑方式有脂润滑、油雾润滑、油气润滑、喷射润滑及先进的环下润滑等。
  
  dn值在1.0×106以上的主轴,多采用油润滑的方式,其中油雾润滑是将润滑油经压力空气雾化后对轴承进行润滑的。这种方式实现容易,设备简单,油雾既有润滑功能,又能起到冷却轴承的作用,但油雾不易回收,对环境污染严重,故逐渐被新型的油气润滑方式所取代。
  
  油气润滑是将少量的润滑油不经雾化而直接由压缩空气定时、定量地沿着专用的油气管道壁均匀地被带到轴承的润滑区。润滑油起润滑的作用,而压缩空气起推动润滑油运动及冷却轴承的作用。油气始终处于分离状态,这有利于润滑油的回收,而对环境却没有污染。实施油气润滑时,一般要求每个轴承都有单独的油气喷嘴,对轴承喷射处的位置有严格的要求,否则不易保证润滑效果,油气润滑的效果还受压缩空气流量和油气压力的影响。一般地讲,增大空气流量可以提高冷却效果,而提高油气压力,不仅可以提高冷却效果,而且还有助于润滑油到达润滑区,因此,提高油气压力有助于提高轴承的转速。实验表明,加大压力比采用常规压力进行油气润滑可使轴承的转速提高20%。
  
  喷射润滑是直接用高压润滑油对轴承进行润滑和冷却的,功率消耗较大,成本高,常用在dn值为2.5×106以上的超高速主轴上。
  
  环下润滑是一种改进的润滑方式,分为环下油润滑和环下油气润滑。实施环下油或者油气润滑时,润滑油或油气从轴承的内圈喷入润滑区,在离心力的作用下润滑油更易于到达轴承润滑区,因而比普通的喷射润滑和油气润滑效果更好。
  
  脂润滑
  
  脂润滑不需任何设备,是一般数控机床主轴普遍采用的润滑方式。
  
  添脂量对主轴的工作质量和精度寿命有较大影响、安装主轴工艺中应注意一下问题;
  
  (1)、填脂前的确认事项
  
  首先要确认轴承清洁度.装配前应严格清洗、脱脂、再按工艺要求填充高速主轴专用润滑脂。
  
  (2)、润滑脂的填充
  
  为了填充适量的润滑脂,建议使用润滑脂填充器。最好使用带读数.并且使用量可以控制的润滑脂填充器【一次性医用注射器】。
  
  精密轴承注脂量的经验推荐填充量单位;cc
  
  高速主轴用向心推力球轴承注脂为——轨道空间15%±2%;长时间高速运转环境为12%;
  
  次高速主轴注脂为轨道空间的20%以内。
  
  高速主轴用圆柱滚子轴承注脂为——10%±2%;长时间高速运转环境为10%;次高速18%以内。
  
  球轴承润滑脂填充方法
  
  1)在钢球之间,用注射器均匀地填充。如果保持架的材料为苯酚树脂【俗称电木】保持架,建议在保持架引导面及外表面薄薄地涂上润滑脂.用以唯持保持架的渗晰作用。
  
  (2)用手转动轴承,使润滑脂均匀地进入滚道面、保持架内部、钢球间、引导面上,要使润滑脂均匀地充满轴承内部空间,堆积过多的润滑脂会影响散热.
  
  圆柱滚子轴承的填充方法
  
  (1)将填充量的80%的润滑脂,均匀地涂在滚动面上,保持架内径部位不要涂注的太多。保持架内侧的润滑脂,在初期磨合运转阶段,较难流动,搅拌作用会使温升增大,多余的润滑脂还会有屏蔽作用影响散热,使之磨合运转时间延长。
  
  (2)将滚子滚动面的润滑脂,抹向滚子的端面、保持架等与滚子的接触部位,以及兜孔部入口处,目视润滑脂均匀地分布到轴承整体。
  
  (3)将填充量的20%的润滑脂,薄薄均匀地涂在轴承室的外圈滚道面上。
  
  润滑脂填充量可用下面的公式,大致计算出来。
  
  Q=qbdmB10-3
  
  其中Q是润滑脂填充量
  
  Qb=轴承尺寸参数
  
  Dm=轴承平均直径直=0.5(d+D)mm
  
  B=轴承宽度mm
  
  高速主轴轴承装配中需要注意的问题
  
  •1.角接触球轴承之间的隔垫.其自身平面度及平行度均不能大于2微米.如果超过则会有;初运转温升较高.运转时渐出磨擦性杂音.轴承初期的偏磨损还会使轴承自然寿命降低.精度保持期缩短.主轴刚度反映出偏弱等一些弊病出现。
  
  •内外隔垫的尺寸比对.均要在零级平板上.用马尔千分指示比较仪推表检测.这样可以避免对轴承实行予紧控制的失准,带来主轴性能的下降。
  
  •2.滚柱轴承端面与主轴大头里端面.及台阶端面的隔垫‘或叫甩油环’的隔垫.都要达到2微米的要求.否则以上误差若会再度加在一起出现.那么在被加工试件表面可能出现斜向‘震纹’。
  
  •3.轴承中我们所能常见到的.符号;d---公称内径;d---公称外径,
  
  •ds--单一内孔直径偏差.车床类的主轴常与此项偏差有工艺配作的处理方案.用以保持着与主轴有较好的接触率。组配的角接触球轴承.此项偏差不能大于2个微米.且直径小的要靠近主轴大端。[su]万能配对的更要注意这一点。否则.刚性弱的弊病会很快出现。DS--单一外径偏差.镗床及加工中心类主轴多用于配作处理以取得予期效果。车床与镗床.对此偏差的取舍与偏重它跟工件.刀具及装卡运转方式.加工有关。直径大的要靠近放在主轴大端。
  
  •Kia---成套轴承内圈的径向跳动。Kea---成套轴承外圈的径向跳动。
  
  •Kia---内圈跳动的最大点;也可称为轴承内圈的最大壁厚处。[NSK]轴承在端面或圆弧倒角处都注有位置【小圆圈】标识。它与主轴上定位短锥的高点同一轴向截面安装,就可获得抵消后的较小跳动误差。精密的主轴务求都要这样处理,只有这样才能获取较高的回转精度。
  
  •Kea---成套轴承外圈的径向跳动[NSK]都有标识,位置同上面提到的。它的正确应用.能保证主轴轴线与其它有平行关系的基准面,线,等发生角度变化后的大与小。特别是那些有方向性要求的地方。利用误差抵消办法可减小变化量。减小同轴度误差所代来的弊病。
  
  •如上做法可以适度地减小轴承温升,缩短空运转时间,可以获得较高精度和寿命.主轴无故障期可以延长数百小时[按实际有效的运转时间计算的]。
  
  •对轴承DBD配置.具体摆放时的前后位置要求
  
  •原则;*外径较小的要靠近背帽;内孔较大的要靠近背帽。*外径较大的要靠近主轴大端;内孔较小的要靠近主轴大端。万能配对轴承摆放和位置必须满足以上的原则,每一单个轴承至少要满足以上两个条件中的一条,不得相背离。NSK角接触球轴承在外圈端面都注有--*/--**,斜杠左边一位数表示外圈的外径小[负.*个]个微米。斜杠右边表示轴承宽度小[负**个微米]。同一轴承的内圈端面上有--*它表示内孔小[负.*个]微米,同时端面还有一个小圆圈.它表示内孔与其滚道跳动的最大[高]点处;装配时,这三个轴承务必都要将这个标识高点放在同一轴向截面内[它可以减小主轴跳动误差,又可以方便和减少背帽调整的次数]。外圈端面标识;圆圈或剑头标识同时要放在同一轴向截面[可以减小温升值并降低圆度及跳动误差]。后轴承端面圆圈标识要放在与前轴承的同一轴向方向上[可以有效地减小温升值并降低圆度及跳动误差]。后轴承端面圆圈标识,要放在与前轴承的同一轴向方向上[同样可以减小温升值并降低圆度及跳动误差]。
  
  •床头箱体轴承用孔必须要校验其形状精度。要满足圆度形状不大于3个微米[如出现长短轴时且只许水平方向直径小],锥度形状不大于3个微米[且只许孔里端位置直径小]。当达不到以上要求时必须要用自定心内径量仪监测,手工用砂纸修复。否则;温升高.运转杂声,精度差.刚性弱等弊病会相继出现。影响着主轴的性能。
  
  •主轴性能降低后,影响到被加工试件的表面质量。如箅【哔】状纹.无章序乱纹.网状交织纹,就会出现。
  
  .轴承球体质量也是影响主轴高速性能的原因
  
  在高速下、作用在滚珠上的球体离心力和陀螺力矩增大。离心力增大会增加滚珠与滚道间的摩擦,而陀螺力矩增大则会使滚珠与滚道间产生滑动摩擦,使轴承摩擦发热加剧,因而降低轴承的寿命。为了提高轴承的高速性能,常采用两种方法:一是减小滚球的直径,如采用已标准化的71900系列主轴轴承;另一种则是采用新型的陶瓷(Si3N4)材料做滚珠,由于Si3N4陶瓷材料的密度仅为轴承钢的40%,因而这种轴承的高速性能明显高于全钢轴承。
  
  合理的预紧力控制
  
  为了提高轴承的刚度,抑制振动及高速回转时滚珠公转和自转的滑动,提高轴的回转精度等,在主轴上使用的滚动轴承均需预紧。预紧的方式主要有定位置预紧和定力预紧。
  
  定位置预紧是将轴承内外圈在轴向固定,以初始预紧量确定其相对位置,运转过程中预紧量不能自动调节。随着转速的提高,轴承滚子发热膨胀、内外圈温差增大、滚子受离心力及轴承座的变形等因素影响,使轴承预紧力急剧增加,这是高速主轴轴承破坏的主要原因。但这种预紧方式具有较高的刚性,定力预紧是一种利用弹簧或者液压系统对轴承实现预紧的方式。在高速运转中,弹簧或液压系统能吸收引起轴承预紧力增加的过盈量,以保持轴承预紧力不变,这对高速主轴特别有利。但在低速重切削条件下,由于预紧结构的受力随变会影响主轴刚性,所以定力预紧一般用在高速、载荷较轻的磨床主轴或者轻型超高速切削机床主轴上。
  
  在现代高速加工中心主轴单元中,为了克服上述两种预紧方式的缺点,使主轴单元既能适应低速重载加工,又能适应超高速运转,开发出可进行预紧力切换的预紧机构。在低速重切削时,轴承在定位置预紧下工作;当高速轻切削时,系统可自动切换成定力预紧方式,使轴承的高速性能得到发挥。
  
  最小轴向载荷的选取预紧载荷的大小,应根据载荷情况和使用要求确定。一般地说,在高速轻载荷条件下,或是为了减小支承系统的振动和提高旋转精度,则选用较轻的预紧载荷;在中速中载荷或低速重载荷条件下,以及为了增加支承系统的刚度,则选用中预紧载荷和重预紧载荷。但预紧载荷过大,轴承的刚度并不能得到显著提高,反而使轴承中的摩擦增大,温度升高,轴承寿命降低。一般应通过计算并结合使用经验决定预紧载荷的大小。
  
  预紧的目的是:
  
  1.增加轴承的刚度;
  
  2.使旋转轴在轴向和径向正确定位,
  
  3.提高轴的旋转精度;
  
  4.降低轴的振动和噪声;
  
  5.减小由于惯性力矩所引起的滚动体相对于内,外圈滚道的滑动;
  
  6.补偿因磨损造成的轴承内部游隙变化;
  
  7.延长轴承寿命。
  
  轴上定位元件连接
  
  在高速主轴上,由于转速的提高,所以对轴上零件的动平衡要求非常高。轴承的定位元件与主轴不宜采用螺纹连接,而采用可拆的阶梯过盈套连接。这种连接与螺纹连接相比有较明显的优点:
  
  ①会在轴上产生弯曲和扭转应力,对轴的旋转精度没有影响;
  
  ②②易保证零件定位端与轴心线的垂直度,轴承预紧时不会使轴承受力不均而影响轴承的寿命;
  
  ③过盈套质量均匀,主轴动平衡易得到保证;
  
  ④一般用热套法进行安装,用注入压力油的方法进行拆卸,对主轴无损害;
  
  ⑤定位可靠,可提高主轴的刚度。阶梯过盈套过盈量的实现有两种方式:①利用公差配合来实现,根据基本过盈量的计算值和配合面的公称尺寸,查有关手册图表,得出相应的过盈配合;②利用阶梯配合面的公称尺寸的差值来实现,并选用H4/h4的过渡配合,这种方法容易控制和保证配合的实际过盈量,适用于高精度的零件配合和进行标准化、系列化系列化生产。
  
  关于主轴(刚性转子)动平衡
  
  平衡转速选择事项;
  
  对于不平衡量很大的转子,突然高速旋转时,将会产生很大离心力,有时很危险。因此,不平衡产生的离心力应有足够的重视,不平衡产生的离心力由下式表示:
  
  式中:
  
  F:离心力[克]
  
  Wr:不平衡量[克.毫米]
  
  ω:旋转角速度(=2πN/60)[弧度/秒]
  
  N:转速[转/分]
  
  (e):转子的偏心距[微米]
  
  W:转子重量[公斤]
  
  (g):重力加速度=9807[毫米/秒]
  
  不平衡量很大的转子在试验机上旋转时,因振幅过大而发生摆架与支架的冲撞,此外,当离心力F大于转子重量W时,会使转子飞离支撑,这是很危险的。这种情况下,要用下述方法进行平衡试验。
  
  3、低速试验和高速试验,离心力F与转速的平方成正比,因而高速旋转中可能产生很大离心力,所以,预计到转子的不平衡量很大时,首先应进行低速平衡试验,然后,再进行高速平衡测量。
  
  试验证明、转子的质量越大、许用剩余不平衡量也就越大,这就说明许用剩余不平衡量U与转子的质量m有关,对于同类转子许用剩余不平衡量eω与转速n成反比。eω是转子重心线速度,常以毫米/秒表示。
  
  e=U/m是转子单位质量的不平衡量,称为不平衡率,对静不平衡转子而言、就是偏心矩,
  
  另外在不平衡量相同时、不平衡引起的震动效应与转子的旋转角速度ω有关,如果按照离心力来说,应该与角速度ω的二次平方成正比。但实验和理论分析表明,对圆周速度相同、几何形状相似的转子切向应力和径向应力与圆周速度的平方成正比、如果圆周速度为常数、那么按相似定律、eω也必须保持常数。eω乘积可设定为任意数值、为了筒化起见可以将其定为一组固定数值,这些值分别按2.5倍比此分开、作为平衡质量划分等级,以G的大小为精度标准.
  
  1刚性转子的平衡转速一般选在第1临界速度的1/3以上。平衡前应将转子上的零件装配齐全。组合式转子上的较大的圆盘部装组件、如叶轮、配重轮、联轴器等应先做好静平衡,然后装配成转子后再作动平衡。
  
  2.刚性转子动平衡的方式有两种:在动平衡机上或在动平衡台上平衡。目前主要采用平衡机上平衡、动平衡的两个校正面间距越大越好、以提高校正灵敏度。
  
  从经济角度而言、转子只需要平衡到许用公差之内即可、并不需要达到很高的平衡精度。在我们机床制造行业一般采用G6.3.G2.5.G1:三种精度等级基本可满足现代数控产品工作精度要求,(普通车床可采用G6.3级,普及型数控采用G2。5级,精密型采用G1级,超高精度或高速机床可考虑采用G0.4平衡精度等级。
  
  结束语;
  
  主轴是数控机床实现高速化发展的关键部件,也是机床精度、切削刚度的主要技术核心,它的工艺技术与结构开发对现代高精高速机床发展至关重要、也是现代数控机床技术研究的重点项目,本文仅对机床主轴中的关键技术和装配中应该注意的项目作了简要介绍。

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