淺談機床主軸的差異化（huà）特（tè）性
2017-4-27 來源：廣州市昊誌機（jī）電股份有限公司 作者：聶浩鋒，李德恒
摘要：作為機床最核心的部件，機床主軸的性能直接決定著機床的加工性（xìng）能。根據機床主軸傳動方式，可分為齒輪式主軸、皮帶主軸、直（zhí）聯主軸和（hé）電主軸。著重通過對比的方式介紹各類主軸的特性，為工程師在設計機床時對主軸（zhóu）選型提供技術支（zhī）持。
關鍵詞：機床（chuáng）；主軸；電機（jī）；特性
1.機床主軸的常用類型
1機床主軸是指機床上帶動工件或刀具旋轉的軸。目前，市麵上絕大多數機床主（zhǔ）軸為皮帶或直聯主軸。齒輪式主軸已逐漸退出舞台，在此不做討論，而電主軸以其獨特的優（yōu）勢正不斷擴大市場（chǎng）份額。皮帶主軸的（de）電（diàn）機在主軸（zhóu）後上方，通過皮帶、連接座（zuò）等部件連接主軸，如圖 1 所示；直聯主（zhǔ）軸的電機與主（zhǔ）軸在同一軸線，通過聯軸器（qì）連接主軸，如圖 2 所示；電主軸的電機藏入主軸內部，與主軸結合成一體，如圖 3 所示。
2.機床主軸的特性
由於傳動方式的區別，各（gè）類主軸在使用中存在明顯的性能差異。下（xià）麵我們（men）從占用空間、安裝難度、極限轉速、噪聲、響應速度、振動（dòng）、扭矩、成本、使加工特點等方麵加以介紹，並對比它們的特性。
2.1 皮帶主軸的特性
2.1.1 占用空間
主軸箱上需裝（zhuāng）打刀缸（gāng）、電機、安（ān）裝板、同步帶輪、同（tóng）步帶（dài）等，占用空間較大，負載較重。
2.1.2 安裝難度
1皮帶連接為柔性連接，所以對兩軸之間的（de）位置精度、配件的（de）加工精度（dù）和裝配要求相對較低（dī），但配件多安裝麻煩。例如，帶輪齒跳需校正至絲級（jí），主軸與電機軸線平行度達絲級，電機安裝帶輪（lún）後需動平衡校正，主動（dòng）輪與從動輪偏擺高點和安裝位（wèi）置需一（yī）致，需通過打刀缸調節刀柄頂（dǐng）出量，皮帶和（hé）帶輪處於（yú）箱體內腔導致安裝和檢測困（kùn）難等。
2.1.3 極限轉速
市麵上常用的（de）皮帶主軸極限轉速一般隻有約 10 000 rpm。受皮帶的（de）影響，很難在保證振動和噪聲合格的（de）情況下提高轉速。
2.1.4 噪聲
有主軸和（hé）電（diàn）機軸承滾動摩擦聲、主軸風切噪（zào）聲、電機電流聲、散熱風扇聲、同步（bù）帶風（fēng）切噪聲與齒齧合噪聲（shēng）等，其中同步帶引起的（de）噪聲較大。
2.1.5 響應速度
主軸運轉需（xū）經過從電機反饋至同（tóng）步帶再傳（chuán）到主軸，軸係重轉動慣量大，同步帶傳動（dòng）摩（mó）擦力和變形較大，齒間（jiān）隙大，所以響應速度（dù）較慢。
2.1.6 振動
電機和主軸（zhóu）的不平衡量和兩軸線的平行度，皮帶傳動時的往（wǎng）複變形及齒形齧合都影響其振動，轉速越高影響越明顯，且越難降低。
2.1.7 扭（niǔ）矩
可通過帶（dài）輪（lún）實現（xiàn）輸出轉速或輸出扭矩的增減。帶輪傳動比（bǐ）為 1∶1 時，輸出扭矩（jǔ）比直聯主軸稍微降低（摩（mó）擦損耗）。
2.1.8 成本
成（chéng）本（běn）=主軸（zhóu）及配件成本+維護成本+人（rén）工成（chéng）本。主軸及配件成本（běn）相對較低。柔性連接能有（yǒu）效分離電機和主軸的各（gè）自（zì）振動。在極端工（gōng）作狀態時，還會因（yīn）超出額定負載（zǎi）以同步帶“爬齒”的形式進行緩衝，有效保護主軸及電機（jī），從（cóng）而避免電（diàn）機和主軸同時損壞，降低維修成本。但因零件較多，影響因素（sù）也較多，裝配（pèi）耗時較長導致人工成本也較高，如果出現異常，故障（zhàng）點的判斷（duàn）也較為耗時。
2.1.9 加（jiā）工特點
重切削（xuē）能力強，但角（jiǎo）度定位精度低，加工精度也低。
2.2 直聯主軸（zhóu）的特性
2.2.1 占（zhàn）用空間
主軸箱上需裝電機、聯（lián）軸器、電機安裝座等，占（zhàn）用空間和負載比皮帶（dài）主軸（zhóu）少（shǎo）。由於負載降低，滑台移動的響應速度比皮帶主（zhǔ）軸快。
2.2.2 安裝難度
因聯軸（zhóu）器的柔性緩衝（chōng）性能很（hěn）弱，所以對零部件之間的形位（wèi）公差要求比皮帶主（zhǔ）軸高很多，否則，不同的軸所產生的（de）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（zhóu）器與電機軸線同軸度達 u 級，主軸軸線與電機安裝麵垂直度達 u 級（安裝麵一（yī）般需鏟（chǎn）配），但零件（jiàn）少安裝會方便點。
2.2.3 極限轉速
市麵上常用直聯主軸極限轉速一般達 24 000 rpm。轉速（sù）越高，對主軸、聯軸器、電機的同軸度要求越高，如（rú）果想在振動（dòng）合格的情況下提高轉速，則需更高的動平衡精度、裝配精度和聯軸器零件（jiàn）精（jīng）度，但難度很大。
2.2.4 噪聲
有（yǒu）主軸和電機（jī）軸承滾動摩擦聲、主軸風切（qiē）噪聲、電機電流聲、散熱風扇聲、聯軸器風切噪聲等，噪聲比皮帶主軸要明顯降低。
2.2.5 響應速度
主軸運轉需經過從電機反饋至聯軸器再傳到主軸，軸係重轉動慣量大（dà），但聯軸器柔性很弱，所以主軸運轉的（de）響應速度比皮帶主軸快。
2.2.6 振動
隻受電機和主軸的不平衡量，主軸、聯軸（zhóu）器與電機軸（zhóu）線同軸度影響，振動比皮（pí）帶（dài）主軸低。
2.2.7 扭矩
由電機（jī）扭矩確定，不可實現輸出轉（zhuǎn）速或輸出扭矩的增減。
2.2.8 成本
成本=主軸及配件成本（běn）+維護成本+人工成本。主軸及配件（jiàn）成本比（bǐ）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（wéi）修成（chéng）本；零件少裝配所需的時間成本（běn）降低（dī），若出（chū）現異常，故障點的判斷效率也會提高。
2.2.9 加工特點
通過聯軸器連接可以（yǐ）杜絕電機（jī）和主軸之間的遊離間（jiān）隙，同時聯軸器的（de）柔性變形也很小，所以角度定位精度較高；沒有皮帶傳（chuán）動產生的發（fā）熱，熱穩定（dìng）性也相對較好（hǎo）；由於振動低（dī）轉速高，所以加工精度比皮帶主（zhǔ）軸高。
2.3 電主（zhǔ）軸的特性
2.3.1 占用空間
主軸箱（xiāng）上無需加裝其他零件，占用空間和負載比直（zhí）聯主軸更少，尤其在多（duō）軸聯動機床上更有優勢。負載更低（dī），滑台移動響應速度也更快。
2.3.2 安裝難度
由於主軸（zhóu）箱上無需加裝其他零件，安裝最（zuì）簡單（dān）。但滿足高轉速所需的零（líng）件精度要求很高，加上內置電機，對主軸（zhóu）供應商技術要求很高。
2.3.3 極限轉速
沒有（yǒu）中間傳動環節的外力作用和衝擊，更利於轉速的提升。市麵上已出現 100 000 rpm 滾珠類電主軸，氣浮（fú）電主軸轉速甚至達 400 000 rpm。
2.3.4 噪聲
噪聲有（yǒu）電主軸軸承滾動摩擦聲、主軸（zhóu）風（fēng）切（qiē）噪聲、電機（jī）電流（liú）聲等。噪聲最低。
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（shí）現更高的加速度，同（tóng）時準停的精度和（hé）速度都能大大提高。
2.3.6 振動（dòng）
隻受內部零件的加工精度、電機質量和軸係的不平衡（héng）量影響，且隻有一根軸的軸（zhóu）係也便於實現更（gèng）低（dī）的振動。同（tóng）時，高速運轉能遠（yuǎn）離機床係統的激振頻率，避免共振的（de）發生。
2.3.7 扭矩
由於電機內置且安裝空間有限，電機比同（tóng）規格皮帶或直聯主軸所配的電機小，所以（yǐ）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+人工成本。價格比皮帶和直聯主（zhǔ）軸都高很多（duō），但可以（yǐ）省（shěng）掉外置電機等（děng）配件的成（chéng）本。當其（qí）安裝氣缸時，也可為客戶省掉外置液壓站或者增壓缸的成本（běn）。因（yīn）為零件精密，所以維修價（jià）格也會提高（gāo）。其安裝簡單，同時可內置編碼器、刀具檢（jiǎn）測傳感器等零（líng）件，人工和時間成本都可以降低。
2.3.9 加工特點（diǎn）
由於軸承和電機小導致剛性和扭矩相對較小，所以（yǐ）重切削能力不如前兩者。但低振動的高速（sù）加工能使切（qiē）削力降（jiàng）低，切削產（chǎn）生的熱量降低，熱變形小，殘餘應力小，成品光潔度好，同時可以省（shěng）去精加工工序。
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（tè）性差異歸（guī）納為表 1 中的內容。
表 1 特性對比
參照表（biǎo） 1 列出的特性（xìng），需求者可根據機台精度、產（chǎn）品要（yào）求、成本等方麵（miàn）考慮選擇最適合（hé）的產（chǎn）品。值得一提的是，隨著數控技（jì）術的發展及市場需求（qiú），高速加工技術以其加工效率和（hé）精度高等優勢必將成為發展趨勢。
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