數(shù)控機(jī)床對主軸系統(tǒng)的要求

豐　坤，張翰乾，賴燕根，單　杰

（廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，廣東廣州510000）

數(shù)控機(jī)床對主軸系統(tǒng)的要求

豐坤，張翰乾，賴燕根，單杰

（廣州市昊志機(jī)電股份有限公司，廣東廣州510000）

通過歸納列舉數(shù)控機(jī)床的性能要求，明確其中與主軸系統(tǒng)相關(guān)的部分，進(jìn)而闡述數(shù)控機(jī)床對主軸系統(tǒng)的要求。

數(shù)控機(jī)床；主軸系統(tǒng)；性能要求

不論是把我國轉(zhuǎn)變成制造強(qiáng)國的宏偉藍(lán)圖，或是對產(chǎn)品更高精度、更優(yōu)質(zhì)量性能的需求，都對裝備制造業(yè)提出了更高的要求。作為裝備制造業(yè)重中之重的機(jī)床產(chǎn)業(yè)，面臨著巨大的發(fā)展契機(jī)。數(shù)控機(jī)床加工具有諸多特點(diǎn):良好的加工柔性、高加工精度、高生產(chǎn)率、可減輕操作者勞動強(qiáng)度、改善勞動條件、更現(xiàn)代化的生產(chǎn)管理以及更高的經(jīng)濟(jì)效益［1］。機(jī)床的發(fā)展離不開其各部分零部件的進(jìn)步完善，主軸系統(tǒng)作為數(shù)控機(jī)床的核心部件，其功率消耗約占機(jī)床總功率的70%～80%，其性能直接影響到機(jī)床的加工效率、加工材料、加工質(zhì)量等。因此，本文將通過對數(shù)控機(jī)床性能要求的總結(jié)歸納，闡述數(shù)控機(jī)床對主軸系統(tǒng)的性能要求。

1　調(diào)速范圍寬并實(shí)現(xiàn)無極調(diào)速

主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，為適應(yīng)各種刀具、工序和不同材料的加工要求，機(jī)床在加工時需要在較寬的調(diào)速范圍內(nèi)進(jìn)行少量轉(zhuǎn)速調(diào)整，以保證加工時可以選用更合適的切削用量、切削速度等，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)采用刀具、加工材料時，切削速度的變化，對產(chǎn)品的加工質(zhì)量有很大的影響。因而針對主軸系統(tǒng)，就要求可以進(jìn)行大范圍的調(diào)速，以及根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的指令自動實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，來實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化的加工參數(shù)［2］。

2　高功率及恒功率范圍要寬

數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)是機(jī)床的大功率執(zhí)行機(jī)構(gòu)，車銑復(fù)合、鉆攻復(fù)合等數(shù)控機(jī)床對切削能力提出了更高的要求，低功率的主軸已經(jīng)不能滿足其加工需求。在相同轉(zhuǎn)速下，更大功率的主軸意味著更強(qiáng)大的加工能力，會縮短粗加工的時間，會吸引更多的用戶使用，因而對主軸的功率要求越來越高。

隨著新材料的出現(xiàn)，不同加工材料對機(jī)床的要求也出現(xiàn)更大的差異。主軸需要在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內(nèi)提供更大的功率。所以主軸系統(tǒng)需要有更寬的恒功率范圍，意味著主軸在較寬的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)均能滿足加工需求，從而滿足數(shù)控機(jī)床低速、強(qiáng)力切削的需要。

3　更高的轉(zhuǎn)速

加工效率是數(shù)控機(jī)床的重要評價參數(shù)。相比大功率對加工效率的影響，轉(zhuǎn)速的提高更能提升加工效率。對于效率要求極高的批量生產(chǎn)系統(tǒng)，若轉(zhuǎn)速過低，則必然會導(dǎo)致效率過低，增加生產(chǎn)成本。

而且對于藍(lán)寶石、陶瓷等硬脆材料，在加工時，如果轉(zhuǎn)速低，加工效果會明顯偏差。因此，主軸系統(tǒng)需要滿足機(jī)床更高轉(zhuǎn)速的要求。

4　多軸運(yùn)動、多自由度加工能力

由于加工要求的多樣性，機(jī)床需要各種運(yùn)動形式，因而需要主軸在正、反向轉(zhuǎn)動時均可進(jìn)行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短，提升加工效率。目前一般伺服主軸可以在1 s內(nèi)從靜止加速到10000 r/min；對于某些永磁驅(qū)動系統(tǒng)，主軸甚至可能在1 s內(nèi)加速到30 000 r/min.

5　具有高精度與剛度

數(shù)控機(jī)床加工精度的提高與主軸系統(tǒng)的精度密切相關(guān)。主軸系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)精度由制造誤差、裝配誤差、或是系統(tǒng)本身的穩(wěn)定性影響，回轉(zhuǎn)精度的差異會導(dǎo)致刀具軌跡的不規(guī)則、不可控；主軸的剛性主要取決于支撐的剛性以及回轉(zhuǎn)系統(tǒng)本身的剛性，剛性差則意味著加工時更低的抗噪能力；振動主要是數(shù)控機(jī)床加工時，由于持續(xù)切削、加工余量不均勻、運(yùn)動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因?qū)е碌臎_擊力和交變力引起；而熱穩(wěn)定性由系統(tǒng)散熱性能與電機(jī)的發(fā)熱和回轉(zhuǎn)部件的發(fā)熱綜合影響，發(fā)熱使其中的零部件產(chǎn)生熱變形，降低傳動效率，影響零部件之間的相對位置精度和運(yùn)動精度，從而造成加工誤差。以上這些都會影響數(shù)控機(jī)床精度，從而影響產(chǎn)品的加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至可能損壞刀具和主軸系統(tǒng)中的零件，使其無法工作。

為了提高產(chǎn)品的制造精度、加工質(zhì)量、產(chǎn)品性能，這些影響數(shù)控機(jī)床的加工精度的主軸系統(tǒng)參數(shù)都需要進(jìn)一步提高。

6　智能化要求

中國制造2025中指出要大力發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床、智能傳感與控制、智能檢測與裝配等。數(shù)控機(jī)床的主軸系統(tǒng)需求不再局限于較大功率及高轉(zhuǎn)速，主軸系統(tǒng)更需要其它輔助性功能。例如，數(shù)控機(jī)床加工過程中，外界環(huán)境溫度的變化對于空間定位誤差的變化影響即可通過誤差補(bǔ)償這一模塊進(jìn)行監(jiān)控及補(bǔ)償。溫度控制模塊可時時監(jiān)控并調(diào)整由于電機(jī)或外界環(huán)境的突變而產(chǎn)生的加工異常。主軸系統(tǒng)也可通過編碼器實(shí)現(xiàn)對速度及位置的控制，即進(jìn)給功能（C軸功能）和定向功能（準(zhǔn)停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及各類型加工中心的某些加工工藝的需要。

7　高效率、綠色化要求

目前我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品仍存在檔次低、資源利用率低及環(huán)境污染嚴(yán)重等問題。在解決高端裝備制造業(yè)發(fā)展滯后現(xiàn)狀的同時，也需要注意工業(yè)節(jié)能、節(jié)水、資源綜合利用以及對環(huán)境的保護(hù)。堅(jiān)持質(zhì)量為先、堅(jiān)持綠色生產(chǎn)、堅(jiān)持結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

高效率不僅表現(xiàn)在高加工效率，而且要表現(xiàn)在高產(chǎn)品利用率、高能源利用率。這些對主軸系統(tǒng)的要求表現(xiàn)在：電機(jī)系統(tǒng)的高效率，更少的熱損耗、磁損耗，更高的能量轉(zhuǎn)化效率；冷卻系統(tǒng)的高冷卻效率，更少的冷卻液消耗確保更好的溫度控制；更少的廢棄物產(chǎn)生、排放。

8　結(jié)束語

制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)，是工業(yè)化和現(xiàn)代化的主導(dǎo)力量，明確數(shù)控機(jī)床對主軸系統(tǒng)的要求，做好主軸系統(tǒng)，才能更好的服務(wù)數(shù)控機(jī)床，為制造業(yè)做出更好的貢獻(xiàn)。

［1］李恒亮，朱偉紅.數(shù)控車床主軸系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀［J］.中國機(jī)械，2013，（6）:219-219.

［2］程倩.數(shù)控車床的主軸驅(qū)動系統(tǒng)之我見［J］.硅谷，2009，（24）:123-123.

Requirements of the Spindle System of CNC Machine Tools

FENG Kun，ZHANG Han-qian，LAIYan-gen，SHAN Jie
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

This paper presents the key factors of the spindle，and illustrates the relation between the spindle system and the system for CNCmachine tool in the next stage of development.And the analysis above is based on the requirements to the performance of the CNCmachine tools in modern industry.

CNCmachine tools；spindle system；requirements to the performance

TG659

B

1672-545X（2016）06-0139-02

2016-03-11

豐坤（1985-），女，廣東廣州人，研究生，工程師，研究方向：機(jī)械電主軸設(shè)計(jì)。