一（yī）、前言

       高（gāo）速主軸是高速、超高速（sù）機床最重要的部件（jiàn），它不僅要求在很高的轉速下旋轉，而且要有很高的同軸（zhóu）度、大而恒定（dìng）的轉矩和過熱檢測裝（zhuāng）置，還需要動（dòng）平（píng）衡等校正措施。

     主軸結構（gòu）單元包括：電主軸單元、軸承及其潤滑單元、電主軸的冷卻及動平衡單元。以下主要對電主軸單元及軸承單元結構進行介紹和分析。

       二、主軸結構（gòu）單元分析

       （一）電主軸單元結構分析

       現在采用的電主軸單元有兩種：一種是內（nèi）裝（藏）式交流變頻電動機電主軸單元，另一種是內埋式（shì）永磁同步電動機電主軸（zhóu）單（dān）元。

       1．內裝（zhuāng）式交流變（biàn）頻電動機電主軸單元

       高（gāo）速機床的高（gāo）速（sù）主軸要在短時間內實（shí）現升速和降速並（bìng）在指定（dìng）位置快速準確停車（chē），這就要（yào）求主軸具有很高的角加速度。如果通過皮（pí）帶、齒輪和離合器等中間傳動係統，不僅存在（zài）皮帶“打滑”、振動和噪聲大等缺點，而且轉動慣量大，很顯然這些（xiē）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（chuáng）主軸上，即采用內裝式無殼電動機，其空心（xīn）轉子用壓配合（hé）直接裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子（zǐ）則安（ān）裝在主軸單元的殼體（tǐ）中，就形（xíng）成了內裝式電動機主軸，簡稱電主軸。這樣一來，電動機的轉子就是（shì）機床的（de）主軸，主軸單元的殼體就是電機座（zuò），從（cóng）而實（shí）現了電動機與（yǔ）機床（chuáng）主軸（zhóu）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的主軸間是靠過盈套筒的過盈配合實現扭矩傳遞的，其過盈（yíng）量是按（àn）所傳遞扭矩的大小計算出來的。電主軸的過盈套筒直徑（jìng）在Φ33mm～Φ250mm內有十幾個規格，最高轉速達180000r/min，功（gōng）率達70kw。

       （1）電主軸的基本參數

  
       電主軸的主（zhǔ）要（yào）參數包括：主（zhǔ）軸的最高（gāo）轉速和恒功率轉（zhuǎn）速範圍，主（zhǔ）軸的額定功率和最大扭矩，主軸前（qián）軸頸的直徑和前後軸承間（jiān）的跨（kuà）距等。其中主軸（zhóu）的最高轉速與額定功率（lǜ）及前軸頸的（de）直徑是電主軸（zhóu）的（de）基本參數。

       設計機床的電主軸時，一般是根據用戶的工藝要求，用（yòng）典型零件的統計分析法來確定上述各參數。通常把同一尺寸規格的高速機床又分為“高速型”與（yǔ）“高剛度型（xíng）”分別進行設計。前者（zhě）主要用於航（háng）空航天工業加工鋁合金、複合材料和鑄鐵等零件，後者（zhě）用（yòng）於模具製造及高強度鋼、高溫合金等（děng）難加工材料及鋼件的高效加工。此（cǐ）外，還要（yào）選擇較好的扭矩—功率特性、調速範圍（wéi）足夠寬的變頻電動（dòng）機及其控製模塊（kuài）。

       （2）電主軸的結構布局

       根（gēn）據電動機和主軸軸承（chéng）相對位置的不同，電主軸的布局可有兩種方式：電（diàn）動機置於主軸前後兩軸承之間，結構如圖1（a）所示。此（cǐ）種布局的優點是，電主（zhǔ）軸單元的（de）軸向尺寸較小、主軸剛度高（gāo）、出力（lì）大，適用（yòng）於大中（zhōng）型加工中心，故大多數（shù）加（jiā）工中心采用此結構布局方式。

       電（diàn）動機置於後軸承之後，結構如圖7（b）所示。此時主軸箱與電動機作軸向的（de）同軸布（bù）置（也可用聯軸節）。其優點是，前端的徑向尺（chǐ）寸可減小，電動機的散熱條件（jiàn）較好。但整個電主軸單元的軸向尺寸較大，與主（zhǔ）軸的同軸度不易調整。常用於小型高速數（shù）控機床，尤其適合於加工模具（jù）型腔的高速精密機（jī）床。前（qián）後軸承（chéng）間的跨距及主軸前端的（de）伸出量，均應按靜剛度和動剛（gāng）度的要求來計算。
   

     
 
                                       圖1 CD-2 型電主軸單元

   
        2. 內（nèi）埋式（shì）永磁同步電動機電主軸單元

       圖2為（wéi）內埋式永磁（cí）同步電動機電（diàn）主軸單元的結構示意圖。單元中的主軸部件由高速精密陶瓷軸承（chéng）支撐於電主軸的外殼中，外殼中還安裝有電動機的定子鐵心和三相定子繞組。為了有效地散（sàn）熱，在外殼體內開設（shè）了冷卻管路。主軸係統工（gōng）作時，由冷卻泵打入（rù）冷卻液帶（dài）走主軸（zhóu）單元內的熱量，以保證電主（zhǔ）軸的正常工作。主軸為空心結構，其內部和頂端安裝有刀具的拉緊和鬆開機構，以（yǐ）實現刀具的（de）自動換刀。主軸外套內有電動機轉子，主（zhǔ）軸端部還裝有（yǒu）激光角位移傳感器，以實（shí）現對主軸旋（xuán）轉位置的閉環控製，保證自動換刀時實現主軸的準停和螺紋加（jiā）工（gōng）時的C軸與Z軸的準確聯（lián）動。
  
   

       
 
                              圖2 內埋式永磁同步電動機電主（zhǔ）軸單元結構（gòu）示意圖

       采用內埋式永磁（cí）同步電動機電主軸單元有如下優（yōu）點：

       ①電動機的效率高，電主軸（zhóu）單元的體積小、重（chóng）量輕，有利於實現主軸單元的位置（zhì）與姿態（tài）的高速控製；
       ②用新型永久磁鐵代替了感應電動機的鼠籠，轉子發（fā）熱少，有利於保證主軸的精度；
       ③有較高的強度，提高了電動（dòng）機（jī）高速運行時的可靠性與（yǔ）安全性；
       ④可（kě）方便地實現恒功率弱（ruò）磁調速，從而擴大了電主軸的調速範圍，有效（xiào）地滿足了寬範圍高速切削的要求。

       3. 其他結構的主軸單元

       除電主軸結構單元外，也可采用薄膜聯（lián）軸節將電（diàn）動機與主軸連為一體，從而實現主軸的直接驅動。這樣有利於電（diàn）動機（jī）的散熱（rè），省去了水冷卻（què）裝置。缺（quē）點是增加了轉動慣量，降低了角加速度。

       除上述電主軸單元外，氣動（dòng）主軸單元和水動主軸（zhóu）單（dān）元也（yě）在（zài）研究開發中。但它們（men）的輸出功率更小（xiǎo），甚至小到幾（jǐ）十（shí）瓦。

  
        三、主軸軸承的分析

  
       高速主軸單元設計中主軸軸承類型的選擇與（yǔ）設（shè）計也是非常關鍵的（de）。主軸軸承不（bú）但要有高的剛度和大的承載能力，而且要有較長的使用壽命。到目前為止，有4種軸承可選做高速主軸軸承，即滾珠軸承、空氣靜壓軸承、液體動靜（jìng）壓軸承和磁懸浮軸承。

       滾珠軸（zhóu）承在高（gāo）速旋轉時滾珠會（huì）產生很大的離心力和（hé）陀螺力矩，此時的離心力遠大於切削時作用給滾珠的力，故此時軸承設計的主要（yào）參數不再是工作載荷了，而應是轉速。一般用轉（zhuǎn）速特征值k來表示，即k=ndm（ n—轉速，dm—軸承的平均直徑）。為此必須采取以下（xià）措施解決（jué）離心力的問題（tí）：

       ①盡量減小滾珠（zhū）直徑；
       ②采用（yòng）密度小的熱壓燒結Si3N4陶瓷材料製作（zuò）滾珠。

       Si3N4陶（táo）瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、彈性模量大（300GPa，約是軸承鋼的1.5倍）、硬度高（1800HV）、熱（rè）脹係數小、耐高溫、不導電、不導磁、導（dǎo）熱係數小等（děng）一係列優良性能。用熱（rè）壓Si3N4陶（táo）瓷材料製（zhì）作的軸承具有轉速高、精（jīng）度高、剛度（dù）高、溫升小（比軸承鋼軸承減少35%-60%）、壽命長等優（yōu）點。價格雖比同規格同精度等級的鋼質（zhì）軸（zhóu）承高2-2.5 倍，但使用壽命（mìng）長3-6倍（bèi），故（gù）熱（rè）壓Si3N4陶瓷製作的軸承是高速機床廣為采用的較為經濟適用的（de）高速（sù）軸承。目前主要用熱壓Si3N4陶（táo）瓷製作滾珠，滾（gǔn）道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱為陶瓷混合（hé）軸承，滾道也可（kě）作表（biǎo）麵改性處理，以提高其耐磨性能。

       空氣（qì）靜壓軸承用於高精度（dù）、高轉（zhuǎn）速、輕載荷的場合。使（shǐ）用（yòng）空氣軸承的主軸單元，主軸轉速可達（dá）150000r/min 以上，但輸出的扭矩（jǔ）和功率很小，主（zhǔ）要用於零件的光整加工。
液體動靜壓軸承目前主（zhǔ）要用於重載大功率場合。這種軸承是采用液體的動力和靜力相結合的方法，使主軸（zhóu）在（zài）油膜中支撐（chēng）旋轉。優點是（shì）徑向和軸向跳動小、剛度高、阻尼特（tè）性好、壽（shòu）命長，粗精加工均適用。

       磁懸浮軸承（chéng）是用（yòng）磁力將主軸（zhóu）無接觸（chù）地懸浮起來的新型智能（néng）化軸（zhóu）承。它的高速性能好、無接觸、無摩擦、無磨損、高精（jīng）度，不需潤滑和密封，還能實現實時診斷和在線監控。故被美、法（fǎ）、瑞士、日本、中國（guó）等很多國家作為研究對（duì）象，是超高速主軸合（hé）適而且理想的主軸軸承，但價格（gé）昂貴，還有些技術問題尚未完全解決，因而限製了它的推廣使用。

  
      四、應用

    我公司生產的（de）數控機床（chuáng）中（zhōng）的關（guān）鍵功（gōng）能附件－A/C軸雙擺角（jiǎo）銑頭的主軸，采用的（de）就是電主軸直接驅動技術，具（jù）有高速、高精和更好的動態性能及精度（dù）保持性，通（tōng）過對主軸結構單元的研究與確定，進一步提升了（le）產品的質量，對高（gāo）檔數控機床行業的發展將起到巨大的（de）推動作用。