淺談機(jī)床主軸的差異化特性

聶浩鋒+李德恒

摘 要：作為機(jī)床最核心的部件，機(jī)床主軸的性能直接決定著機(jī)床的加工性能。根據(jù)機(jī)床主軸傳動(dòng)方式，可分為齒輪式主軸、皮帶主軸、直聯(lián)主軸和電主軸。著重通過對(duì)比的方式介紹各類主軸的特性，為工程師在設(shè)計(jì)機(jī)床時(shí)對(duì)主軸選型提供技術(shù)支持。

關(guān)鍵詞：機(jī)床；主軸；電機(jī)；特性

中圖分類號(hào)：TH161+.21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.11.094

文章編號(hào)：2095-6835（2016）11-0094-02

1 機(jī)床主軸的常用類型

機(jī)床主軸是指機(jī)床上帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)的軸。目前，市面上絕大多數(shù)機(jī)床主軸為皮帶或直聯(lián)主軸。齒輪式主軸已逐漸退出舞臺(tái)，在此不做討論，而電主軸以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)正不斷擴(kuò)大市場份額。皮帶主軸的電機(jī)在主軸后上方，通過皮帶、連接座等部件連接主軸，如圖1所示；直聯(lián)主軸的電機(jī)與主軸在同一軸線，通過聯(lián)軸器連接主軸，如圖2所示；電主軸的電機(jī)藏入主軸內(nèi)部，與主軸結(jié)合成一體，如圖3所示。

2 機(jī)床主軸的特性

由于傳動(dòng)方式的區(qū)別，各類主軸在使用中存在明顯的性能差異。下面我們從占用空間、安裝難度、極限轉(zhuǎn)速、噪聲、響應(yīng)速度、振動(dòng)、扭矩、成本、使加工特點(diǎn)等方面加以介紹，并對(duì)比它們的特性。

2.1 皮帶主軸的特性

2.1.1 占用空間

主軸箱上需裝打刀缸、電機(jī)、安裝板、同步帶輪、同步帶

等，占用空間較大，負(fù)載較重。

2.1.2 安裝難度

皮帶連接為柔性連接，所以對(duì)兩軸之間的位置精度、配件的加工精度和裝配要求相對(duì)較低，但配件多安裝麻煩。例如，帶輪齒跳需校正至絲級(jí)，主軸與電機(jī)軸線平行度達(dá)絲級(jí)，電機(jī)安裝帶輪后需動(dòng)平衡校正，主動(dòng)輪與從動(dòng)輪偏擺高點(diǎn)和安裝位置需一致，需通過打刀缸調(diào)節(jié)刀柄頂出量，皮帶和帶輪處于箱體內(nèi)腔導(dǎo)致安裝和檢測困難等。

2.1.3 極限轉(zhuǎn)速

市面上常用的皮帶主軸極限轉(zhuǎn)速一般只有約10 000 rpm。受皮帶的影響，很難在保證振動(dòng)和噪聲合格的情況下提高轉(zhuǎn)速。

2.1.4 噪聲

有主軸和電機(jī)軸承滾動(dòng)摩擦聲、主軸風(fēng)切噪聲、電機(jī)電流聲、散熱風(fēng)扇聲、同步帶風(fēng)切噪聲與齒嚙合噪聲等，其中同步帶引起的噪聲較大。

2.1.5 響應(yīng)速度

主軸運(yùn)轉(zhuǎn)需經(jīng)過從電機(jī)反饋至同步帶再傳到主軸，軸系重轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，同步帶傳動(dòng)摩擦力和變形較大，齒間隙大，所以響應(yīng)速度較慢。

2.1.6 振動(dòng)

電機(jī)和主軸的不平衡量和兩軸線的平行度，皮帶傳動(dòng)時(shí)的往復(fù)變形及齒形嚙合都影響其振動(dòng)，轉(zhuǎn)速越高影響越明顯，且越難降低。

2.1.7 扭矩

可通過帶輪實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速或輸出扭矩的增減。帶輪傳動(dòng)比為1∶1時(shí)，輸出扭矩比直聯(lián)主軸稍微降低（摩擦損耗）。

2.1.8 成本

成本=主軸及配件成本+維護(hù)成本+人工成本。主軸及配件成本相對(duì)較低。柔性連接能有效分離電機(jī)和主軸的各自振動(dòng)。在極端工作狀態(tài)時(shí)，還會(huì)因超出額定負(fù)載以同步帶“爬齒”的形式進(jìn)行緩沖，有效保護(hù)主軸及電機(jī)，從而避免電機(jī)和主軸同時(shí)損壞，降低維修成本。但因零件較多，影響因素也較多，裝配耗時(shí)較長導(dǎo)致人工成本也較高，如果出現(xiàn)異常，故障點(diǎn)的判斷也較為耗時(shí)。

2.1.9 加工特點(diǎn)

重切削能力強(qiáng)，但角度定位精度低，加工精度也低。

2.2 直聯(lián)主軸的特性

2.2.1 占用空間

主軸箱上需裝電機(jī)、聯(lián)軸器、電機(jī)安裝座等，占用空間和負(fù)載比皮帶主軸少。由于負(fù)載降低，滑臺(tái)移動(dòng)的響應(yīng)速度比皮帶主軸快。

2.2.2 安裝難度

因聯(lián)軸器的柔性緩沖性能很弱，所以對(duì)零部件之間的形位公差要求比皮帶主軸高很多，否則，不同的軸所產(chǎn)生的附加載荷將造成振動(dòng)大甚至主軸和電機(jī)損壞。裝配時(shí)，需保證主軸、聯(lián)軸器與電機(jī)軸線同軸度達(dá)u級(jí)，主軸軸線與電機(jī)安裝面垂直度達(dá)u級(jí)（安裝面一般需鏟配），但零件少安裝會(huì)方便點(diǎn)。

2.2.3 極限轉(zhuǎn)速

市面上常用直聯(lián)主軸極限轉(zhuǎn)速一般達(dá)24 000 rpm。轉(zhuǎn)速越高，對(duì)主軸、聯(lián)軸器、電機(jī)的同軸度要求越高，如果想在振動(dòng)合格的情況下提高轉(zhuǎn)速，則需更高的動(dòng)平衡精度、裝配精度和聯(lián)軸器零件精度，但難度很大。

2.2.4 噪聲

有主軸和電機(jī)軸承滾動(dòng)摩擦聲、主軸風(fēng)切噪聲、電機(jī)電流聲、散熱風(fēng)扇聲、聯(lián)軸器風(fēng)切噪聲等，噪聲比皮帶主軸要明顯降低。

2.2.5 響應(yīng)速度

主軸運(yùn)轉(zhuǎn)需經(jīng)過從電機(jī)反饋至聯(lián)軸器再傳到主軸，軸系重轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，但聯(lián)軸器柔性很弱，所以主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的響應(yīng)速度比皮帶主軸快。

2.2.6 振動(dòng)

只受電機(jī)和主軸的不平衡量，主軸、聯(lián)軸器與電機(jī)軸線同軸度影響，振動(dòng)比皮帶主軸低。

2.2.7 扭矩

由電機(jī)扭矩確定，不可實(shí)現(xiàn)輸出轉(zhuǎn)速或輸出扭矩的增減。

2.2.8 成本

成本=主軸及配件成本+維護(hù)成本+人工成本。主軸及配件成本比皮帶主軸稍高一點(diǎn)；電機(jī)和主軸往往會(huì)同時(shí)損壞，從而提高了維修成本；零件少裝配所需的時(shí)間成本降低，若出現(xiàn)異常，故障點(diǎn)的判斷效率也會(huì)提高。

2.2.9 加工特點(diǎn)

通過聯(lián)軸器連接可以杜絕電機(jī)和主軸之間的游離間隙，同時(shí)聯(lián)軸器的柔性變形也很小，所以角度定位精度較高；沒有皮帶傳動(dòng)產(chǎn)生的發(fā)熱，熱穩(wěn)定性也相對(duì)較好；由于振動(dòng)低轉(zhuǎn)速高，所以加工精度比皮帶主軸高。

2.3 電主軸的特性

2.3.1 占用空間

主軸箱上無需加裝其他零件，占用空間和負(fù)載比直聯(lián)主軸更少，尤其在多軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床上更有優(yōu)勢(shì)。負(fù)載更低，滑臺(tái)移動(dòng)響應(yīng)速度也更快。

2.3.2 安裝難度

由于主軸箱上無需加裝其他零件，安裝最簡單。但滿足高轉(zhuǎn)速所需的零件精度要求很高，加上內(nèi)置電機(jī)，對(duì)主軸供應(yīng)商技術(shù)要求很高。

2.3.3 極限轉(zhuǎn)速

沒有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的外力作用和沖擊，更利于轉(zhuǎn)速的提升。市面上已出現(xiàn)100 000 rpm滾珠類電主軸，氣浮電主軸轉(zhuǎn)速甚至達(dá)400 000 rpm。

2.3.4 噪聲

噪聲有電主軸軸承滾動(dòng)摩擦聲、主軸風(fēng)切噪聲、電機(jī)電流聲等。噪聲最低。

2.3.5 響應(yīng)速度

傳動(dòng)鏈的長度縮短為零，實(shí)現(xiàn)了“零傳動(dòng)”。軸系輕轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可實(shí)現(xiàn)更高的加速度，同時(shí)準(zhǔn)停的精度和速度都能大大提高。

2.3.6 振動(dòng)

只受內(nèi)部零件的加工精度、電機(jī)質(zhì)量和軸系的不平衡量影響，且只有一根軸的軸系也便于實(shí)現(xiàn)更低的振動(dòng)。同時(shí)，高速運(yùn)轉(zhuǎn)能遠(yuǎn)離機(jī)床系統(tǒng)的激振頻率，避免共振的發(fā)生。

2.3.7 扭矩

由于電機(jī)內(nèi)置且安裝空間有限，電機(jī)比同規(guī)格皮帶或直聯(lián)主軸所配的電機(jī)小，所以能輸出的扭矩稍低，粗加工能力也會(huì)稍差。

2.3.8 成本

成本=主軸+維護(hù)成本+人工成本。價(jià)格比皮帶和直聯(lián)主軸都高很多，但可以省掉外置電機(jī)等配件的成本。當(dāng)其安裝氣缸時(shí)，也可為客戶省掉外置液壓站或者增壓缸的成本。因?yàn)榱慵?，所以維修價(jià)格也會(huì)提高。其安裝簡單，同時(shí)可內(nèi)置編碼器、刀具檢測傳感器等零件，人工和時(shí)間成本都可以降低。

2.3.9 加工特點(diǎn)

由于軸承和電機(jī)小導(dǎo)致剛性和扭矩相對(duì)較小，所以重切削能力不如前兩者。但低振動(dòng)的高速加工能使切削力降低，切削產(chǎn)生的熱量降低，熱變形小，殘余應(yīng)力小，成品光潔度好，同時(shí)可以省去精加工工序。

3 總結(jié)

通過以上對(duì)比分析，皮帶主軸、直聯(lián)主軸和電主軸的特性差異歸納為表1中的內(nèi)容。

參照表1列出的特性，需求者可根據(jù)機(jī)臺(tái)精度、產(chǎn)品要求、成本等方面考慮選擇最適合的產(chǎn)品。值得一提的是，隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展及市場需求，高速加工技術(shù)以其加工效率和精度高等優(yōu)勢(shì)必將成為發(fā)展趨勢(shì)。

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〔編輯：胡雪飛〕