一、前（qián）言

       高速主軸是高速、超高速機床最重要的部件，它不（bú）僅要求在很高的轉速下旋轉（zhuǎn），而且要有很高的同軸度、大而恒定（dìng）的轉矩和過熱檢測裝置（zhì），還需要動平衡等校正措施。

     主軸結構單元包括：電（diàn）主軸單元、軸承及其潤滑單元（yuán）、電主軸的冷卻及動平衡單元。以下主要（yào）對電主軸單元及軸承單（dān）元（yuán）結構進行（háng）介紹和分析。

       二、主軸結構單元分析

       （一）電主軸單元結（jié）構分析

       現在采用的電主軸單元有兩種：一種是內裝（藏（cáng））式交流變頻電動機電主軸單元（yuán），另一（yī）種（zhǒng）是內埋式永磁同步電動機電主軸單（dān）元。

       1．內裝式（shì）交流變頻電（diàn）動機電主軸單元

       高速機床的高速（sù）主軸要在短時間內實（shí）現升速和（hé）降速並在指（zhǐ）定位置快速準確停車，這就（jiù）要求主軸具有很（hěn）高的角加速度。如果通過皮帶、齒輪和離合器等中間傳動（dòng）係統（tǒng），不僅存在皮帶“打（dǎ）滑”、振動和（hé）噪聲大等缺點，而且轉動慣量大，很顯（xiǎn）然（rán）這些中間傳動係統已不再適應要求。如將交流變頻電動機直接（jiē）裝在機床主軸上（shàng），即采用內裝式無殼電動機，其空心轉子用壓（yā）配合直接裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，就形成了內（nèi）裝（zhuāng）式電動機主軸（zhóu），簡稱電（diàn）主軸（zhóu）。這樣一來，電動機的轉子就（jiù）是機床的主軸，主軸單元的殼體就是電機座，從而實現了電動機與機床主軸的一體化。
 

       圖1 所示為高速電主軸單元較好的結構。目前，電動機的轉子與機床（chuáng）的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現扭矩傳遞的，其（qí）過盈量是按所（suǒ）傳遞扭矩的大小（xiǎo）計算出（chū）來的。電主（zhǔ）軸的過盈套筒直徑在Φ33mm～Φ250mm內有十幾個規格，最高轉速達180000r/min，功率達70kw。

       （1）電主軸的（de）基本（běn）參數

  
       電（diàn）主軸的主（zhǔ）要參（cān）數包括：主軸的最高轉速和恒功率（lǜ）轉速範圍，主軸的額定功率和最大扭矩，主軸前軸頸（jǐng）的直（zhí）徑（jìng）和前（qián）後軸承間的跨距（jù）等。其中主軸的最高轉速與（yǔ）額定功率及前軸頸的直（zhí）徑是電主軸的基本參數。

       設（shè）計機床的電主軸（zhóu）時，一般是根據用戶的工藝要求，用（yòng）典型零（líng）件的統計分析法來確定上述各參數。通常把同一尺寸規（guī）格的高速機床又（yòu）分為“高速型”與“高剛（gāng）度型”分別進行設計。前者主要用於航空航天工業加工鋁（lǚ）合金、複合材料和鑄鐵等零件，後者用於模具製造及高（gāo）強度鋼、高溫合金等難加（jiā）工材料及（jí）鋼件的高效加工。此外，還要選擇較好的扭矩—功率特性、調速範圍足（zú）夠寬的變頻電動機及其控製模塊。

       （2）電主軸的結構布局

       根據電動（dòng）機和主軸軸承相對位置的不同，電主軸的布局可有兩種（zhǒng）方式：電動（dòng）機置於（yú）主軸前後兩軸承之間，結構如圖1（a）所示。此種布局的優點（diǎn）是，電主軸單元的軸向尺寸較小、主（zhǔ）軸剛度高、出力大，適用於大中型加（jiā）工中心，故大多數加工中心采用（yòng）此結構布局方式（shì）。

       電動機（jī）置於後軸承之後，結構如圖7（b）所示。此時主軸箱與（yǔ）電動機作（zuò）軸向的同軸布置（也可用聯（lián）軸節）。其優點是，前端的（de）徑向尺寸可減小，電動機的散熱條（tiáo）件較好。但整個電主軸單元的軸向尺寸較（jiào）大，與主（zhǔ）軸的同軸度不易調整。常用於小型高速數控機床，尤其適合於加工模具型（xíng）腔（qiāng）的高速精密機床。前後軸（zhóu）承間的跨距及主軸前（qián）端的伸出量，均應按靜剛度和動剛度的要求來計算。
   

     
 
                                       圖1 CD-2 型電主軸單元（yuán）

   
        2. 內埋式永磁同步電動機電主軸單元

       圖2為內（nèi）埋式永磁同步電動機電主軸（zhóu）單（dān）元的結構示意圖。單元中的主軸部件由高速精密陶瓷軸承（chéng）支撐（chēng）於電主軸的外殼中，外（wài）殼中還安裝有電動機的定子鐵（tiě）心和三相定子繞組。為了（le）有效地散熱，在（zài）外殼體（tǐ）內開（kāi）設了冷卻管路。主軸係統工（gōng）作時，由冷卻泵打入冷卻液帶走主軸單元內的熱量，以保證電主軸的正常工作。主軸為空心結構，其（qí）內部和頂（dǐng）端安裝有刀具的拉緊（jǐn）和鬆（sōng）開機構，以實現刀具的自（zì）動換刀。主軸外套內有電動機轉子（zǐ），主軸端部還裝有激光角位移傳感器，以實現對主軸旋轉位置的（de）閉環控製，保證（zhèng）自動換刀時實現（xiàn）主軸的準停和螺紋加工時的（de）C軸與Z軸的準確聯動。
  
   

       
 
                              圖2 內埋式永磁同步電動機電主軸單元結（jié）構示意圖

       采用（yòng）內埋式（shì）永磁同步電動機（jī）電主軸（zhóu）單（dān）元有如下（xià）優點：

       ①電動機的效率高，電（diàn）主軸單元的體積小（xiǎo）、重量輕，有利於實現主軸單元的位置與姿態的高（gāo）速控製；
       ②用新（xīn）型永久磁鐵代替了感應電動機（jī）的鼠籠，轉（zhuǎn）子（zǐ）發熱少，有（yǒu）利於保證主軸的精度；
       ③有較高的強度（dù），提高了電動機高速運行時的可靠性與安全（quán）性；
       ④可方便地實現恒（héng）功率弱（ruò）磁調速，從而擴大了電主軸的調速範圍，有效地滿足了寬範圍高速（sù）切削的要求。

       3. 其他結構的主軸單元

       除電主軸結構單元外，也可采用薄（báo）膜（mó）聯軸節將電動機與主（zhǔ）軸連為一體，從而實現主軸的直（zhí）接驅動。這樣有利於電動機（jī）的散熱，省去了水（shuǐ）冷卻裝置。缺點是增加了轉動慣量，降低了（le）角加速度。

       除上述電主軸（zhóu）單元外，氣動主軸單元和水動（dòng）主軸單元也在（zài）研究開發中。但它們的輸出功率更小，甚至小到幾十瓦。

  
        三（sān）、主軸軸承的分析

  
       高速主軸單元設計中主軸軸承類型的選（xuǎn）擇與設計也是非常關鍵的。主軸軸承不但要有高的剛度和大的承載能力，而（ér）且要有較（jiào）長（zhǎng）的使用壽命。到目前為止，有4種軸（zhóu）承（chéng）可（kě）選做高速主軸軸承，即滾珠軸承、空氣靜壓軸（zhóu）承、液體動靜壓軸承（chéng）和磁懸浮軸承。

       滾珠軸承在高速旋轉時滾珠會產生很大（dà）的離心力和陀螺力矩，此時的離心力遠（yuǎn）大於（yú）切削時作用給滾珠的力，故此時軸（zhóu）承（chéng）設計的主要參數不再是工作載荷了，而應是轉速。一般（bān）用轉速特征值k來表示，即k=ndm（ n—轉速，dm—軸承的平均直徑）。為此必須（xū）采取以下措施解（jiě）決離心力的問題：

       ①盡量（liàng）減（jiǎn）小滾珠直徑；
       ②采（cǎi）用密度小的熱壓燒結Si3N4陶瓷材料製作滾珠。

       Si3N4陶瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、彈性模量大（300GPa，約是（shì）軸承鋼的1.5倍）、硬度高（1800HV）、熱脹係數（shù）小、耐高溫、不導電（diàn）、不導磁、導熱係數小等一（yī）係列優良性能。用熱壓（yā）Si3N4陶瓷材料製作（zuò）的軸承具有轉速高、精度高、剛度高、溫升小（比軸承鋼軸（zhóu）承減少35%-60%）、壽（shòu）命長等（děng）優點。價格雖比同規格同精度等級的鋼質軸承高2-2.5 倍，但使用壽命長3-6倍（bèi），故（gù）熱壓Si3N4陶瓷製作的軸承是高速機床廣（guǎng）為采用的較為經濟適用的高速軸承。目前主要用熱壓Si3N4陶瓷製作滾珠，滾道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱（chēng）為（wéi）陶瓷混合軸（zhóu）承，滾道也可作表麵改性處理，以提高其耐磨性能。

       空氣靜壓軸承用於高（gāo）精度、高（gāo）轉（zhuǎn）速、輕載荷的（de）場合。使用空（kōng）氣軸承的主軸單元，主軸轉速可達150000r/min 以（yǐ）上，但輸（shū）出的扭矩和功率很小，主要用於零件的光整加工。
液體動靜壓軸承（chéng）目前主要用於重載大功率場合。這種軸（zhóu）承是采用液體的動力和靜力相結合的方法，使主軸在油膜中支撐旋轉。優點是徑向和軸（zhóu）向跳動小、剛（gāng）度高（gāo）、阻尼特（tè）性好、壽命長，粗精加工均適用。

       磁懸浮（fú）軸承是用磁力將（jiāng）主軸（zhóu）無接觸地懸浮起來的（de）新（xīn）型智能化軸承。它的高速性能好、無接觸（chù）、無摩擦、無磨損、高精度（dù），不需潤（rùn）滑和（hé）密封，還能實現實時診斷和在線監控。故被美（měi）、法、瑞士、日本、中國等很多國家作（zuò）為研究對象，是超高（gāo）速主軸合適而（ér）且理想的主軸軸承，但價格昂貴，還有些技術問（wèn）題尚未完全解決，因而限製了它的推廣使用（yòng）。

  
      四、應用

    我公司生（shēng）產（chǎn）的數控機床中的關鍵功（gōng）能附（fù）件－A/C軸雙擺角銑頭的主軸，采用的就是電主軸直接驅動技術，具有高速、高精和更好的動態性能（néng）及精度保持性，通過對主（zhǔ）軸結構單元的研究與確定，進一步提升了產品的質量，對（duì）高檔數控機床行業的發展將起（qǐ）到（dào）巨（jù）大的推動作（zuò）用。