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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，李德恒访问量：

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