浅谈机床主轴的差异化特性
2017-4-27 来源：广州市昊志机电股份有限公司 作者：聂浩锋，李德恒
摘要：作为机床最核心的部件，机床主轴的性能直接决定着机床的加工性能。根据机床主轴传动方式，可分为齿轮式主轴、皮带主轴、直联主轴和电主轴。着重通过对比的方式介绍各类主轴的特性，为工程师在设计机床时对主轴选型提供技术支持。
关键词：机床；主轴；电机；特性
1.机床主轴的常用类型
1机床主轴是指机床上带动工件或刀具旋转的轴。目前，市面上绝大多数机床主轴为皮带或直联主轴。齿轮式主轴已逐渐退出舞台，在此不做讨论，而电主轴以其独特的优势正不断扩大市场份额。皮带主轴的电机在主轴后上方，通过皮带、连接座等部件连接主轴，如图 1 所示；直联主轴的电机与主轴在同一轴线，通过联轴器连接主轴，如图 2 所示；电主轴的电机藏入主轴内部，与主轴结合成一体，如图 3 所示。
2.机床主轴的特性
由于传动方式的区别，各类主轴在使用中存在明显的性能差异。下面我们从占用空间、安装难度、极限转速、噪声、响应速度、振动、扭矩、成本、使加工特点等方面加以介绍，并对比它们的特性。
2.1 皮带主轴的特性
2.1.1 占用空间
主轴箱上需装打刀缸、电机、安装板、同步带轮、同步带等，占用空间较大，负载较重。
2.1.2 安装难度
1皮带连接为柔性连接，所以对两轴之间的位置精度、配件的加工精度和装配要求相对较低，但配件多安装麻烦。例如，带轮齿跳需校正至丝级，主轴与电机轴线平行度达丝级，电机安装带轮后需动平衡校正，主动轮与从动轮偏摆高点和安装位置需一致，需通过打刀缸调节刀柄顶出量，皮带和带轮处于箱体内腔导致安装和检测困难等。
2.1.3 极限转速
市面上常用的皮带主轴极限转速一般只有约 10 000 rpm。受皮带的影响，很难在保证振动和噪声合格的情况下提高转速。
2.1.4 噪声
有主轴和电机轴承滚动摩擦声、主轴风切噪声、电机电流声、散热风扇声、同步带风切噪声与齿啮合噪声等，其中同步带引起的噪声较大。
2.1.5 响应速度
主轴运转需经过从电机反馈至同步带再传到主轴，轴系重转动惯量大，同步带传动摩擦力和变形较大，齿间隙大，所以响应速度较慢。
2.1.6 振动
电机和主轴的不平衡量和两轴线的平行度，皮带传动时的往复变形及齿形啮合都影响其振动，转速越高影响越明显，且越难降低。
2.1.7 扭矩
可通过带轮实现输出转速或输出扭矩的增减。带轮传动比为 1∶1 时，输出扭矩比直联主轴稍微降低（摩擦损耗）。
2.1.8 成本
成本=主轴及配件成本+维护成本+人工成本。主轴及配件成本相对较低。柔性连接能有效分离电机和主轴的各自振动。在极端工作状态时，还会因超出额定负载以同步带“爬齿”的形式进行缓冲，有效保护主轴及电机，从而避免电机和主轴同时损坏，降低维修成本。但因零件较多，影响因素也较多，装配耗时较长导致人工成本也较高，如果出现异常，故障点的判断也较为耗时。
2.1.9 加工特点
重切削能力强，但角度定位精度低，加工精度也低。
2.2 直联主轴的特性
2.2.1 占用空间
主轴箱上需装电机、联轴器、电机安装座等，占用空间和负载比皮带主轴少。由于负载降低，滑台移动的响应速度比皮带主轴快。
2.2.2 安装难度
因联轴器的柔性缓冲性能很弱，所以对零部件之间的形位公差要求比皮带主轴高很多，否则，不同的轴所产生的附加载荷将造成振动大甚至主轴和电机损坏。装配时，需保证主轴、联轴器与电机轴线同轴度达 u 级，主轴轴线与电机安装面垂直度达 u 级（安装面一般需铲配），但零件少安装会方便点。
2.2.3 极限转速
市面上常用直联主轴极限转速一般达 24 000 rpm。转速越高，对主轴、联轴器、电机的同轴度要求越高，如果想在振动合格的情况下提高转速，则需更高的动平衡精度、装配精度和联轴器零件精度，但难度很大。
2.2.4 噪声
有主轴和电机轴承滚动摩擦声、主轴风切噪声、电机电流声、散热风扇声、联轴器风切噪声等，噪声比皮带主轴要明显降低。
2.2.5 响应速度
主轴运转需经过从电机反馈至联轴器再传到主轴，轴系重转动惯量大，但联轴器柔性很弱，所以主轴运转的响应速度比皮带主轴快。
2.2.6 振动
只受电机和主轴的不平衡量，主轴、联轴器与电机轴线同轴度影响，振动比皮带主轴低。
2.2.7 扭矩
由电机扭矩确定，不可实现输出转速或输出扭矩的增减。
2.2.8 成本
成本=主轴及配件成本+维护成本+人工成本。主轴及配件成本比皮带主轴稍高一点；电机和主轴往往会同时损坏，从而提高了维修成本；零件少装配所需的时间成本降低，若出现异常，故障点的判断效率也会提高。
2.2.9 加工特点
通过联轴器连接可以杜绝电机和主轴之间的游离间隙，同时联轴器的柔性变形也很小，所以角度定位精度较高；没有皮带传动产生的发热，热稳定性也相对较好；由于振动低转速高，所以加工精度比皮带主轴高。
2.3 电主轴的特性
2.3.1 占用空间
主轴箱上无需加装其他零件，占用空间和负载比直联主轴更少，尤其在多轴联动机床上更有优势。负载更低，滑台移动响应速度也更快。
2.3.2 安装难度
由于主轴箱上无需加装其他零件，安装最简单。但满足高转速所需的零件精度要求很高，加上内置电机，对主轴供应商技术要求很高。
2.3.3 极限转速
没有中间传动环节的外力作用和冲击，更利于转速的提升。市面上已出现 100 000 rpm 滚珠类电主轴，气浮电主轴转速甚至达 400 000 rpm。
2.3.4 噪声
噪声有电主轴轴承滚动摩擦声、主轴风切噪声、电机电流声等。噪声最低。
2.3.5 响应速度
传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”。轴系轻转动惯量小，可实现更高的加速度，同时准停的精度和速度都能大大提高。
2.3.6 振动
只受内部零件的加工精度、电机质量和轴系的不平衡量影响，且只有一根轴的轴系也便于实现更低的振动。同时，高速运转能远离机床系统的激振频率，避免共振的发生。
2.3.7 扭矩
由于电机内置且安装空间有限，电机比同规格皮带或直联主轴所配的电机小，所以能输出的扭矩稍低，粗加工能力也会稍差。
2.3.8 成本
成本=主轴+维护成本+人工成本。价格比皮带和直联主轴都高很多，但可以省掉外置电机等配件的成本。当其安装气缸时，也可为客户省掉外置液压站或者增压缸的成本。因为零件精密，所以维修价格也会提高。其安装简单，同时可内置编码器、刀具检测传感器等零件，人工和时间成本都可以降低。
2.3.9 加工特点
由于轴承和电机小导致刚性和扭矩相对较小，所以重切削能力不如前两者。但低振动的高速加工能使切削力降低，切削产生的热量降低，热变形小，残余应力小，成品光洁度好，同时可以省去精加工工序。
3.总结
通过以上对比分析，皮带主轴、直联主轴和电主轴的特性差异归纳为表 1 中的内容。
表 1 特性对比
参照表 1 列出的特性，需求者可根据机台精度、产品要求、成本等方面考虑选择最适合的产品。值得一提的是，随着数控技术的发展及市场需求，高速加工技术以其加工效率和精度高等优势必将成为发展趋势。
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