数控机床对主轴系统的要求

丰　坤，张翰乾，赖燕根，单　杰

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

数控机床对主轴系统的要求

丰坤，张翰乾，赖燕根，单杰

（广州市昊志机电股份有限公司，广东广州510000）

通过归纳列举数控机床的性能要求，明确其中与主轴系统相关的部分，进而阐述数控机床对主轴系统的要求。

数控机床；主轴系统；性能要求

不论是把我国转变成制造强国的宏伟蓝图，或是对产品更高精度、更优质量性能的需求，都对装备制造业提出了更高的要求。作为装备制造业重中之重的机床产业，面临着巨大的发展契机。数控机床加工具有诸多特点:良好的加工柔性、高加工精度、高生产率、可减轻操作者劳动强度、改善劳动条件、更现代化的生产管理以及更高的经济效益［1］。机床的发展离不开其各部分零部件的进步完善，主轴系统作为数控机床的核心部件，其功率消耗约占机床总功率的70%～80%，其性能直接影响到机床的加工效率、加工材料、加工质量等。因此，本文将通过对数控机床性能要求的总结归纳，阐述数控机床对主轴系统的性能要求。

1　调速范围宽并实现无极调速

主轴变速分为有级变速、无级变速和分段无级变速三种形式，为适应各种刀具、工序和不同材料的加工要求，机床在加工时需要在较宽的调速范围内进行少量转速调整，以保证加工时可以选用更合适的切削用量、切削速度等，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。实验表明，当采用刀具、加工材料时，切削速度的变化，对产品的加工质量有很大的影响。因而针对主轴系统，就要求可以进行大范围的调速，以及根据数控系统的指令自动实现无级调速，来实现最优化的加工参数［2］。

2　高功率及恒功率范围要宽

数控机床主轴系统是机床的大功率执行机构，车铣复合、钻攻复合等数控机床对切削能力提出了更高的要求，低功率的主轴已经不能满足其加工需求。在相同转速下，更大功率的主轴意味着更强大的加工能力，会缩短粗加工的时间，会吸引更多的用户使用，因而对主轴的功率要求越来越高。

随着新材料的出现，不同加工材料对机床的要求也出现更大的差异。主轴需要在全转速范围内均能提供切削所需功率，并尽可能在全速范围内提供更大的功率。所以主轴系统需要有更宽的恒功率范围，意味着主轴在较宽的转速范围内均能满足加工需求，从而满足数控机床低速、强力切削的需要。

3　更高的转速

加工效率是数控机床的重要评价参数。相比大功率对加工效率的影响，转速的提高更能提升加工效率。对于效率要求极高的批量生产系统，若转速过低，则必然会导致效率过低，增加生产成本。

而且对于蓝宝石、陶瓷等硬脆材料，在加工时，如果转速低，加工效果会明显偏差。因此，主轴系统需要满足机床更高转速的要求。

4　多轴运动、多自由度加工能力

由于加工要求的多样性，机床需要各种运动形式，因而需要主轴在正、反向转动时均可进行自动加、减速控制，并且加、减速时间要短，提升加工效率。目前一般伺服主轴可以在1 s内从静止加速到10000 r/min；对于某些永磁驱动系统，主轴甚至可能在1 s内加速到30 000 r/min.

5　具有高精度与刚度

数控机床加工精度的提高与主轴系统的精度密切相关。主轴系统的回转精度由制造误差、装配误差、或是系统本身的稳定性影响，回转精度的差异会导致刀具轨迹的不规则、不可控；主轴的刚性主要取决于支撑的刚性以及回转系统本身的刚性，刚性差则意味着加工时更低的抗噪能力；振动主要是数控机床加工时，由于持续切削、加工余量不均匀、运动部件不平衡以及切削过程中的自振等原因导致的冲击力和交变力引起；而热稳定性由系统散热性能与电机的发热和回转部件的发热综合影响，发热使其中的零部件产生热变形，降低传动效率，影响零部件之间的相对位置精度和运动精度，从而造成加工误差。以上这些都会影响数控机床精度，从而影响产品的加工精度和表面粗糙度，严重时甚至可能损坏刀具和主轴系统中的零件，使其无法工作。

为了提高产品的制造精度、加工质量、产品性能，这些影响数控机床的加工精度的主轴系统参数都需要进一步提高。

6　智能化要求

中国制造2025中指出要大力发展高档数控机床、智能传感与控制、智能检测与装配等。数控机床的主轴系统需求不再局限于较大功率及高转速，主轴系统更需要其它辅助性功能。例如，数控机床加工过程中，外界环境温度的变化对于空间定位误差的变化影响即可通过误差补偿这一模块进行监控及补偿。温度控制模块可时时监控并调整由于电机或外界环境的突变而产生的加工异常。主轴系统也可通过编码器实现对速度及位置的控制，即进给功能（C轴功能）和定向功能（准停功能），以满足加工中心自动换刀、刚性攻丝、螺纹切削以及各类型加工中心的某些加工工艺的需要。

7　高效率、绿色化要求

目前我国数控机床产品仍存在档次低、资源利用率低及环境污染严重等问题。在解决高端装备制造业发展滞后现状的同时，也需要注意工业节能、节水、资源综合利用以及对环境的保护。坚持质量为先、坚持绿色生产、坚持结构优化。

高效率不仅表现在高加工效率，而且要表现在高产品利用率、高能源利用率。这些对主轴系统的要求表现在：电机系统的高效率，更少的热损耗、磁损耗，更高的能量转化效率；冷却系统的高冷却效率，更少的冷却液消耗确保更好的温度控制；更少的废弃物产生、排放。

8　结束语

制造业是国民经济的支柱产业，是工业化和现代化的主导力量，明确数控机床对主轴系统的要求，做好主轴系统，才能更好的服务数控机床，为制造业做出更好的贡献。

［1］李恒亮，朱伟红.数控车床主轴系统的发展现状［J］.中国机械，2013，（6）:219-219.

［2］程倩.数控车床的主轴驱动系统之我见［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

丰坤（1985-），女，广东广州人，研究生，工程师，研究方向：机械电主轴设计。