浅析数控车床主传动系统设计

    1　序言

    数控车床是高度自动化机床，数控车床主传动系统的特点是：①机床有足够高的转速和大的功率，以适应高效率加工的需要；②主轴转速的变换迅速可靠，一般能自动变速；③主轴应有足够高的刚度和回转精度；④主轴转速范围应很广，如对铝合金材料的高速切削，几乎没有上限的限制，主轴最高转速取决于主传动系统中传动元件的允许极限(如主轴轴承允许的极限转速)，而最低转速则根据加工不锈钢等难加工材料的要求来确定。现以我们厂自行设计生产的DS11型全功能数控车床为例，介绍主传动系统的设计。

    2　车床主传动方式的选择

    主传动采用分离传动。运动是从15kW的直流主电机经三角皮带传至变速箱，通过齿轮变速使主轴获得4级固定转速，再由主电机调速使主轴转速达到26～2360r/min，在4档范围内均可进行恒速切削。主轴的4级机械变速是用油缸推动滑移齿轮来实现的。在变速时，主电机低速转动。齿轮啮合后压上行程开关。同时发令，使电机停止摇摆，并启动主轴运动。当改变主电机旋转方向时，可以得到相同的主轴正、反转。螺纹切削是通过与主轴1∶1传动的主轴脉冲发生器发出同步脉冲讯号来实现的。 

    变速箱固定在主轴箱上，靠法兰盘定心。法兰盘内孔与主轴的中间轴承外圆相配，法兰盘外圆与变速箱体孔相配，以保证主轴三个轴承孔同心，并使齿轮正确啮合。这种分离传动将变速箱直接把在主轴箱上，即变速齿轮直接传动主轴，省去皮带传动的中间环节，使结构紧凑。同时，主轴与变速齿轮分装于两箱，以达到分离、减少主轴的热变形、提高主轴的刚性和精度的目的。

    3　功率扭矩特性
 
    主电机的最高转速为3500r/min，额定转速为1160r/min，恒功率调速范围为3，皮带轮的传动比为133∶236。

    由功率特性曲线可见，功率曲线重合，无缺口，即在计算转速142r/min以上，均可达到最大功率13kW(机械效率0.87)。但功率曲线重合部分太多，有些浪费。

    4　主轴组件的设计

    主轴为三支承，前、中轴承在主轴箱内，是主要支承，后轴承在变速箱中，是辅助支承。前轴承是NN3024SKM-SP及234424MA-SP，中间轴承为NN3022SKM-CP。这种轴承配列具有很高的刚性，轴向力及径向力分别由不同的轴承负担，轴向热膨胀可由圆柱滚子轴承吸收。后轴承是向心球轴承D220。由于三个轴承孔的同轴度很难保证，所以后轴承与箱体孔的配合较松，前、中轴承用长效润滑脂润滑，并用主轴中间的两个背帽调节。主轴前端的两个半圆垫在装配时配磨，用来调整前轴承的预负荷。主轴孔径为70。 

    5　温升及热变形情况

    由于中间轴承位于变速箱与主轴箱之间，散热条件较差，致使中间轴承的温升高于前轴承。变速箱的润滑采用体外循环形式，且油量较大，可以把轴承处的部分热量带走，因此中间轴承的温升并不太高。
　　
    下面是主轴温升及热变形情况：
　　
    主轴中速1180r/min，时间180min，室温25.5℃；
　　
    前轴承最高温度32.0℃，温升7℃；
　　
    中间轴承最高温度32.4℃，温升6.4℃；
　　
    主轴中心线在主平面上的变形量为9.5μm；
　　
    主轴中心线在次平面上的变形量为8.5μm；
　　
    主轴轴向变形量为18.5μm；
　　
    主轴高速2360r/min，时间180min，室温25℃；
　　
    前轴承最高温度44.6℃，温升19.6℃；
　　
    后轴承最高温度51.5℃，温升26.5℃。