聶浩（hào）鋒　李德恒

（廣（guǎng）州市昊誌機電股份有限公司，廣東廣州　511356）

　　摘　要：作為機床（chuáng）Z核心的部件（jiàn），機床主軸的性能直接決定著機床的加工性能。根據機床主軸傳動方式，可分為齒輪式主軸、皮帶主軸、直聯主軸和電（diàn）主軸。著重（chóng）通過（guò）對比的方式（shì）介紹各類主軸的特性，為工程（chéng）師在設計機床時對主（zhǔ）軸選型提供技術（shù）支持。
　　關鍵詞：機床；主軸；電機；特性

　　1　機床主軸的常用類型
　　機床主軸是指機床上帶（dài）動工件或刀（dāo）具旋轉的軸。目前，市麵上絕大多數機床主軸為皮帶或直（zhí）聯主軸。齒輪式主軸已逐漸退出舞台，在（zài）此（cǐ）不做討論，而電主軸以其（qí）獨特的優（yōu）勢正（zhèng）不斷擴大市場份額。皮帶主軸的電機在主軸後上方（fāng），通過（guò）皮帶、連接座等部件連接主軸，如（rú）圖1所示（shì）；直聯主軸的電機與主軸在同一軸線，通過聯軸器（qì）連接主（zhǔ）軸，如圖2所示；電主軸的（de）電機藏（cáng）入主軸（zhóu）內部，與主軸結合成一體，如圖3所示（shì）。

　　2　機床主（zhǔ）軸（zhóu）的（de）特性
　　由於傳動方式的（de）區（qū）別，各類主軸在使用中存在明顯的性能差異。下麵我們從占用空間、安裝難度、極限轉速、噪聲、響應（yīng）速度、振動、扭（niǔ）矩、成本、使加工特（tè）點等方麵加以介紹，並對（duì）比它們的特性。
　　2.1皮帶主軸（zhóu）的特性
　　2.1.1占（zhàn）用空間
　　主軸箱（xiāng）上需裝打刀缸、電機、安裝板、同步帶輪、同步帶等，占用空間較大，負載較（jiào）重。
　　2.1.2安裝難度
　　皮帶連接（jiē）為柔性連接，所以對兩軸之間的位置精度（dù）、配件的加工精度和裝配要求相對較低，但配件多安裝麻煩。例如，帶輪齒跳需校正至絲級，主軸與電（diàn）機軸線平行度達（dá）絲級，電機安裝帶輪後需動平衡校正（zhèng），主動輪與（yǔ）從動輪偏擺（bǎi）高點和安裝（zhuāng）位置需一致，需通過打刀缸調節刀柄頂出量，皮（pí）帶和帶輪處於箱體內（nèi）腔導致安裝和檢測困（kùn）難等。
　　2.1.3極限轉速
　　市麵上（shàng）常用的皮帶主（zhǔ）軸極限轉速一般隻有約10000rpm。受皮帶的影響，很（hěn）難在保證振動和噪聲（shēng）合格的情況下提高轉速。
　　2.1.4噪聲
　　有主軸和電（diàn）機軸承滾（gǔn）動摩擦聲、主軸風切噪聲、電（diàn）機（jī）電流聲、散熱風扇聲、同步帶風切噪聲與齒齧（niè）合（hé）噪（zào）聲等，其中同步帶引起的噪聲較大。
　　2.1.5響應速度（dù）
　　主軸運轉需經過從電機反饋至同步帶再傳（chuán）到主軸，軸係重（chóng）轉動慣量大，同步帶傳動摩擦力和變形較大，齒間隙大，所以響應速度較慢。
　　2.1.6振動
　　電機和主軸的不平衡量和兩軸線的平行度，皮帶（dài）傳動時的往複變形及齒形（xíng）齧合都（dōu）影響其（qí）振動，轉速越高影響（xiǎng）越明顯，且越難降低。

　　2.1.7扭矩
　　可通過帶輪（lún）實現輸出轉（zhuǎn）速或輸出扭矩的增減（jiǎn）。帶輪傳動比為1∶1時，輸出扭矩比直聯主（zhǔ）軸稍微降低（摩擦損耗）。
　　2.1.8成本
　　成本（běn）=主（zhǔ）軸及配（pèi）件成本+維護（hù）成本+人工成本。主軸及（jí）配件（jiàn）成本（běn）相對較低。柔性（xìng）連接能有效分離電（diàn）機和主軸的各自振動。在極端工作狀態時，還會因超出額定（dìng）負載以同步帶“爬（pá）齒”的形式（shì）進行緩衝，有效保護主軸及電機，從而避免電機和主軸同時（shí）損壞（huài），降低維修成本。但（dàn）因零件（jiàn）較多，影響因素也較多，裝配耗時較長導致人（rén）工（gōng）成本也較高，如（rú）果出現異常，故（gù）障點的判斷也較為（wéi）耗時。
　　2.1.9加工特點
　　重切削能力強，但角度定位精度低，加工（gōng）精度也低。
　　2.2直聯主軸的特性
　　2.2.1占用（yòng）空間（jiān）
　　主軸箱上需裝電機、聯軸器（qì）、電機安裝座等，占（zhàn）用（yòng）空間和（hé）負載比皮帶主軸少。由於（yú）負載降低，滑台移動（dòng）的（de）響應速度比皮帶主軸快。
　　2.2.2安裝難度
　　因聯軸器的柔性緩衝性能（néng）很弱，所以對零部件之間的形位公差要求比皮帶主軸高很多，否則，不同的軸所產生的附加載荷將造成振動大甚至主軸和電機損壞。裝配時，需保證主軸、聯軸器（qì）與電（diàn）機軸線同軸度達u級，主（zhǔ）軸軸線與電機安裝麵垂直（zhí）度達u級（安裝麵一般需鏟配），但（dàn）零件少安裝（zhuāng）會方便點。
　　2.2.3極限轉（zhuǎn）速
　　市麵上常用直聯主軸極限轉速一（yī）般達24000rpm。轉速越高，對（duì）主軸、聯軸器、電機的同軸（zhóu）度要（yào）求越高，如果想在振動合格的情況下（xià）提高轉（zhuǎn）速，則（zé）需更高的動平衡精度、裝配精度和（hé）聯軸器零件精（jīng）度，但難度很大（dà）。
　　2.2.4噪聲
　　有主軸和電（diàn）機軸承（chéng）滾動摩擦聲、主軸（zhóu）風切噪聲、電機（jī）電流聲、散熱風扇聲、聯軸器風切噪聲等，噪聲比皮帶主軸要明顯（xiǎn）降低。
　　2.2.5響應（yīng）速度
　　主軸運（yùn）轉需經（jīng）過從電機反饋至聯軸器（qì）再傳到主軸，軸係重轉動慣量（liàng）大，但聯軸器柔性很弱，所以主軸運轉的響應速度比皮帶主軸快。
　　2.2.6振動（dòng）
　　隻受電機（jī）和主軸的不平衡量，主軸、聯軸器與電機軸（zhóu）線（xiàn）同（tóng）軸度影響（xiǎng），振動比皮帶（dài）主軸低。
　　2.2.7扭矩
　　由電機扭矩確定（dìng），不可實現輸出轉速或輸出扭矩的（de）增減。
　　2.2.8成本（běn）
　　成本（běn）=主軸及配件成本（běn）+維護成本+人工成本。主軸及配件（jiàn）成本比皮帶主軸稍高一點；電機和主軸往往會同時損壞，從而提高了維修成本；零件少（shǎo）裝配（pèi）所需的時間（jiān）成本降低，若出現異常，故障（zhàng）點的判斷效（xiào）率也會提高。
　　2.2.9加工特點
　　通過聯軸器連接可以杜絕電機（jī）和主軸之間的遊離間隙，同時聯軸器的柔性變形也很小，所以角度定位精度（dù）較高；沒有皮帶傳（chuán）動產生（shēng）的發熱，熱穩定性也相對較好；由（yóu）於振動低轉速高，所以加工精（jīng）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（jiā）裝其他零件（jiàn），占用空間和負載比直聯主軸更少，尤其在多軸聯動機床（chuáng）上更有優勢。負載更低，滑台移動響應速度也更快（kuài）。
　　2.3.2安裝難度
　　由於主軸（zhóu）箱上無需加裝其他零（líng）件（jiàn），安裝Z簡單。但滿足高轉速所需的零件精度（dù）要求很高，加上內（nèi）置電機，對主軸供應商技術要求很高。
　　2.3.3極限轉速
　　沒有中間傳動環節（jiē）的外力作用和衝擊，更利（lì）於轉速的提升。市麵上已出現100000rpm滾珠（zhū）類電主軸，氣（qì）浮電主軸轉速甚至達400000rpm。
　　2.3.4噪聲
　　噪聲有電主軸軸承滾動摩擦（cā）聲、主軸風切噪聲、電機電流聲等。噪聲Z低。
　　2.3.5響應速度
　　傳動鏈的長度縮短為零，實現了“零傳動”。軸係輕轉動慣量小，可實現更高的加速度，同時準停的（de）精度和速度都能大（dà）大提高。
　　2.3.6振（zhèn）動（dòng）
　　隻受內部零件的加工精度、電機質（zhì）量和軸（zhóu）係的不平衡量影響，且（qiě）隻有一根軸的軸係也便（biàn）於實現更低的振動。同時，高速運轉能遠離（lí）機床係統的激振頻率，避免共振的發生。
　　2.3.7扭矩
　　由於電機內置且安（ān）裝空間有限（xiàn），電機比同規格皮帶或直聯主軸（zhóu）所配的電（diàn）機小，所以能輸出的扭矩稍低，粗加工能力也會稍差。
　　2.3.8成本
　　成本=主軸+維護成本+人工（gōng）成本。價格比皮帶和直聯主軸都高很（hěn）多，但可以省掉外置電機等（děng）配件的成本。當其安裝氣缸時（shí），也可為客戶省掉外（wài）置液壓站或者增壓缸的成本。因為零件精（jīng）密，所以維修價格（gé）也會提高。其安裝簡單，同時可內置編碼（mǎ）器、刀（dāo）具檢測傳感器等零件，人工和時間成本都可以降（jiàng）低（dī）。
　　2.3.9加工特點
　　由（yóu）於軸承和電機小導致剛性和扭矩相對較小，所以重切削能力不如前兩（liǎng）者。但低振動的高速加工能（néng）使切削力降低，切削產生的熱量降低，熱變形小，殘餘應力小，成品光潔（jié）度好，同時可以省去精加（jiā）工工序。
　　3　總結
　　通過以上對比分析，皮帶主軸、直聯主軸和電主軸的特性差異（yì）歸納（nà）為表1中（zhōng）的內容。

　　參（cān）照表1列出的特性，需求者可根據機台精度、產品要求（qiú）、成本等方麵考慮選擇Z適合（hé）的產品。值得一提的是，隨著數控技術（shù）的發展及市場需求，高速加工技術以其加工效率和精度高等優勢必將（jiāng）成為發展趨勢。
　　參考文獻
　　[1]穆（mù）德敏，魯卓（zhuó），康寶軍，等.高速主軸在加工中心上的應用[J].金屬加工（冷加工），2010（20）：27-29.
　　[2]鄒純標.淺談（tán）電主軸在數控加工中心的應（yīng）用[J].科技創新與應用，2013（28）：31.

來源（yuán）：《科技與創新》2016年第11期