數控機床對主軸系統的要求

豐　坤，張翰乾，賴燕根，單　杰

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

數控機床對主軸系統的要求

豐坤，張翰乾，賴燕根，單杰

（廣州市昊志機電股份有限公司，廣東廣州510000）

通過歸納列舉數控機床的性能要求，明確其中與主軸系統相關的部分，進而闡述數控機床對主軸系統的要求。

數控機床；主軸系統；性能要求

不論是把我國轉變成制造強國的宏偉藍圖，或是對產品更高精度、更優質量性能的需求，都對裝備制造業提出了更高的要求。作為裝備制造業重中之重的機床產業，面臨著巨大的發展契機。數控機床加工具有諸多特點:良好的加工柔性、高加工精度、高生產率、可減輕操作者勞動強度、改善勞動條件、更現代化的生產管理以及更高的經濟效益［1］。機床的發展離不開其各部分零部件的進步完善，主軸系統作為數控機床的核心部件，其功率消耗約占機床總功率的70%～80%，其性能直接影響到機床的加工效率、加工材料、加工質量等。因此，本文將通過對數控機床性能要求的總結歸納，闡述數控機床對主軸系統的性能要求。

1　調速范圍寬并實現無極調速

主軸變速分為有級變速、無級變速和分段無級變速三種形式，為適應各種刀具、工序和不同材料的加工要求，機床在加工時需要在較寬的調速范圍內進行少量轉速調整，以保證加工時可以選用更合適的切削用量、切削速度等，從而獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。實驗表明，當采用刀具、加工材料時，切削速度的變化，對產品的加工質量有很大的影響。因而針對主軸系統，就要求可以進行大范圍的調速，以及根據數控系統的指令自動實現無級調速，來實現最優化的加工參數［2］。

2　高功率及恒功率范圍要寬

數控機床主軸系統是機床的大功率執行機構，車銑復合、鉆攻復合等數控機床對切削能力提出了更高的要求，低功率的主軸已經不能滿足其加工需求。在相同轉速下，更大功率的主軸意味著更強大的加工能力，會縮短粗加工的時間，會吸引更多的用戶使用，因而對主軸的功率要求越來越高。

隨著新材料的出現，不同加工材料對機床的要求也出現更大的差異。主軸需要在全轉速范圍內均能提供切削所需功率，并盡可能在全速范圍內提供更大的功率。所以主軸系統需要有更寬的恒功率范圍，意味著主軸在較寬的轉速范圍內均能滿足加工需求，從而滿足數控機床低速、強力切削的需要。

3　更高的轉速

加工效率是數控機床的重要評價參數。相比大功率對加工效率的影響，轉速的提高更能提升加工效率。對于效率要求極高的批量生產系統，若轉速過低，則必然會導致效率過低，增加生產成本。

而且對于藍寶石、陶瓷等硬脆材料，在加工時，如果轉速低，加工效果會明顯偏差。因此，主軸系統需要滿足機床更高轉速的要求。

4　多軸運動、多自由度加工能力

由于加工要求的多樣性，機床需要各種運動形式，因而需要主軸在正、反向轉動時均可進行自動加、減速控制，并且加、減速時間要短，提升加工效率。目前一般伺服主軸可以在1 s內從靜止加速到10000 r/min；對于某些永磁驅動系統，主軸甚至可能在1 s內加速到30 000 r/min.

5　具有高精度與剛度

數控機床加工精度的提高與主軸系統的精度密切相關。主軸系統的回轉精度由制造誤差、裝配誤差、或是系統本身的穩定性影響，回轉精度的差異會導致刀具軌跡的不規則、不可控；主軸的剛性主要取決于支撐的剛性以及回轉系統本身的剛性，剛性差則意味著加工時更低的抗噪能力；振動主要是數控機床加工時，由于持續切削、加工余量不均勻、運動部件不平衡以及切削過程中的自振等原因導致的沖擊力和交變力引起；而熱穩定性由系統散熱性能與電機的發熱和回轉部件的發熱綜合影響，發熱使其中的零部件產生熱變形，降低傳動效率，影響零部件之間的相對位置精度和運動精度，從而造成加工誤差。以上這些都會影響數控機床精度，從而影響產品的加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至可能損壞刀具和主軸系統中的零件，使其無法工作。

為了提高產品的制造精度、加工質量、產品性能，這些影響數控機床的加工精度的主軸系統參數都需要進一步提高。

6　智能化要求

中國制造2025中指出要大力發展高檔數控機床、智能傳感與控制、智能檢測與裝配等。數控機床的主軸系統需求不再局限于較大功率及高轉速，主軸系統更需要其它輔助性功能。例如，數控機床加工過程中，外界環境溫度的變化對于空間定位誤差的變化影響即可通過誤差補償這一模塊進行監控及補償。溫度控制模塊可時時監控并調整由于電機或外界環境的突變而產生的加工異常。主軸系統也可通過編碼器實現對速度及位置的控制，即進給功能（C軸功能）和定向功能（準停功能），以滿足加工中心自動換刀、剛性攻絲、螺紋切削以及各類型加工中心的某些加工工藝的需要。

7　高效率、綠色化要求

目前我國數控機床產品仍存在檔次低、資源利用率低及環境污染嚴重等問題。在解決高端裝備制造業發展滯后現狀的同時，也需要注意工業節能、節水、資源綜合利用以及對環境的保護。堅持質量為先、堅持綠色生產、堅持結構優化。

高效率不僅表現在高加工效率，而且要表現在高產品利用率、高能源利用率。這些對主軸系統的要求表現在：電機系統的高效率，更少的熱損耗、磁損耗，更高的能量轉化效率；冷卻系統的高冷卻效率，更少的冷卻液消耗確保更好的溫度控制；更少的廢棄物產生、排放。

8　結束語

制造業是國民經濟的支柱產業，是工業化和現代化的主導力量，明確數控機床對主軸系統的要求，做好主軸系統，才能更好的服務數控機床，為制造業做出更好的貢獻。

［1］李恒亮，朱偉紅.數控車床主軸系統的發展現狀［J］.中國機械，2013，（6）:219-219.

［2］程倩.數控車床的主軸驅動系統之我見［J］.硅谷，2009，（24）:123-123.

Requirements of the Spindle System of CNC Machine Tools

FENG Kun，ZHANG Han-qian，LAIYan-gen，SHAN Jie
（Guangzhou Haozhi Industrial Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510000，China）

This paper presents the key factors of the spindle，and illustrates the relation between the spindle system and the system for CNCmachine tool in the next stage of development.And the analysis above is based on the requirements to the performance of the CNCmachine tools in modern industry.

CNCmachine tools；spindle system；requirements to the performance

TG659

B

1672-545X（2016）06-0139-02

2016-03-11

豐坤（1985-），女，廣東廣州人，研究生，工程師，研究方向：機械電主軸設計。