一、前言

       高速主軸是高速、超高速機床最重（chóng）要（yào）的（de）部件，它不僅要求在很高的轉速（sù）下旋轉，而且要有很（hěn）高的同軸（zhóu）度、大而恒定的（de）轉矩和過熱（rè）檢（jiǎn）測裝置，還需要（yào）動（dòng）平衡（héng）等校正措施。

     主軸結構單元包括：電主軸單元、軸承及其潤（rùn）滑單元、電（diàn）主軸的冷（lěng）卻及（jí）動平衡單元。以下主（zhǔ）要對電主軸單元及（jí）軸（zhóu）承（chéng）單元結構進行介紹和（hé）分（fèn）析。

       二（èr）、主軸結構單元分析

       （一）電主軸單（dān）元結構分析（xī）

       現在采用的電主軸單（dān）元（yuán）有兩種：一（yī）種是內裝（藏）式交流變頻電動機電（diàn）主軸單元，另（lìng）一種是內埋式永磁同步電動機電主軸單元。

       1．內（nèi）裝式交流（liú）變頻電動機電主軸單（dān）元

       高速機床的高速主軸要在短時間內實現（xiàn）升速和降速並在指定（dìng）位置快速準確（què）停（tíng）車，這就要求（qiú）主軸（zhóu）具有很高（gāo）的角加速度。如果通過（guò）皮帶、齒輪（lún）和離（lí）合器等中（zhōng）間傳動係統，不僅存在皮帶“打滑”、振動和噪聲（shēng）大等缺點，而且轉（zhuǎn）動慣量大（dà），很顯然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裝在機床主軸上，即采用內裝式（shì）無殼電動機，其空（kōng）心轉子用壓配（pèi）合直接裝在機床主軸上，帶（dài）有（yǒu）冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中（zhōng），就形成了（le）內裝式電動機主軸，簡稱電主軸。這樣一來，電動機的轉子就是機床的主軸，主軸單元的殼（ké）體就是電機座，從而實現了電動機與（yǔ）機床主（zhǔ）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的主軸間（jiān）是靠過盈套筒的過盈配合實（shí）現扭矩傳遞的，其過盈（yíng）量是按所傳遞扭矩的大小（xiǎo）計算出來的。電主軸的過盈套筒直徑在Φ33mm～Φ250mm內有十幾個規格，最高轉速（sù）達180000r/min，功率達70kw。

       （1）電主軸的基（jī）本參數

  
       電主軸的主要參數包括：主軸的最高轉速和恒功率轉速範圍，主軸的額定功率和最大扭（niǔ）矩，主軸前軸頸的直徑和前後（hòu）軸承間的跨距等（děng）。其中主軸的最高轉速與額（é）定功率及（jí）前軸頸的直徑是電主（zhǔ）軸的基本（běn）參數。

       設計機床的電主軸時，一般是（shì）根據用戶的工藝要求，用典（diǎn）型（xíng）零件的（de）統計分析法來確定上述各參數（shù）。通常（cháng）把同（tóng）一尺寸規格的高速機床又（yòu）分為（wéi）“高速型”與“高剛度型”分別進行設計。前者主要用於（yú）航（háng）空航（háng）天工業（yè）加工（gōng）鋁合金、複（fù）合材料和鑄（zhù）鐵等零件，後者用於模具製造及高強度鋼、高溫合金等難加工材料及鋼件的高（gāo）效加工。此外，還要選（xuǎn）擇較好的扭矩—功率特性、調速範圍足夠寬的變頻電動機及其控製模塊。

       （2）電主軸的結構布局

       根據電動機（jī）和主軸軸承相對位置的不同，電主軸（zhóu）的布局可有兩種方式：電動機置於主軸前後兩（liǎng）軸承之間，結構如圖1（a）所示。此種布局的優點是，電主軸單元的軸向尺寸較小、主軸剛度高、出力大，適用於大中型加工中心，故大多數加工中心采（cǎi）用此結構布局方式（shì）。

       電動機置於（yú）後軸（zhóu）承之（zhī）後，結構如圖7（b）所（suǒ）示（shì）。此時主軸箱與電動機作軸向的同軸布置（也可用聯軸節）。其優點是，前端的（de）徑向尺寸可（kě）減小，電動機的散熱條件較（jiào）好。但整個電主（zhǔ）軸單元的（de）軸向尺寸較大，與主軸的同軸度不易調整。常用（yòng）於小型高速數控機床，尤其適合於加工模具型腔的（de）高速精密機床。前後軸承間的跨距（jù）及主軸前端的伸（shēn）出量，均應按靜剛（gāng）度和動剛度的（de）要求來計算。
   

     
 
                                       圖1 CD-2 型（xíng）電主（zhǔ）軸單元

   
        2. 內埋式永磁同步電動機電主軸單（dān）元

       圖2為內（nèi）埋式永磁同步電動機電主軸單元的結構示意圖。單元（yuán）中的主軸部件由高速精密（mì）陶瓷軸承支撐於電主軸的（de）外殼（ké）中，外殼中還安裝有電動機的（de）定子鐵（tiě）心和三相定子繞組（zǔ）。為了（le）有效地散（sàn）熱，在外殼體內開設了（le）冷卻管路。主軸係統工作時，由冷卻泵打入冷卻液帶走主軸單（dān）元（yuán）內的熱量，以保證電主軸的正常（cháng）工作。主軸為空心結構，其（qí）內部和頂端（duān）安裝有刀具的拉（lā）緊（jǐn）和鬆開機構，以實現（xiàn）刀具的自動（dòng）換刀。主軸外套內（nèi）有電動機轉子，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閉環控製，保（bǎo）證自（zì）動換刀時（shí）實現主（zhǔ）軸的準停和螺紋加工時的C軸與Z軸的準確聯動。
  
   

       
 
                              圖2 內（nèi）埋式永磁同步電動機電主軸（zhóu）單元結構示（shì）意圖

       采用內埋（mái）式永磁同步電動機電主軸單元（yuán）有如下優點：

       ①電動機的效率高，電主軸單元的體積小、重量（liàng）輕，有利於實（shí）現主軸單元的位置與姿態的高速控製（zhì）；
       ②用新型永久磁鐵代替了感應電動機的鼠籠，轉子發熱少，有利於保證主軸的精度；
       ③有較高的強度，提高了電（diàn）動機高速運行時的可靠性與安全性；
       ④可方便地實現恒功率弱磁（cí）調速，從而擴大了電主軸的調速範圍，有（yǒu）效地滿足了寬範（fàn）圍高速切削的要求。

       3. 其他（tā）結構的主軸單元

       除電（diàn）主軸結構單元外，也可采用（yòng）薄膜聯軸節將電動機與主軸連為一體，從而實現主軸的直接驅（qū）動。這樣有利（lì）於電動機的散熱，省去了水冷卻（què）裝置。缺點是增加（jiā）了轉動慣量，降低了角加速度。

       除上述電主軸單元外，氣動主軸單元和水動主（zhǔ）軸單元也在研究開發中。但它們的輸出（chū）功（gōng）率（lǜ）更小，甚至小到幾十瓦。

  
        三、主軸軸承的分析

  
       高（gāo）速主軸（zhóu）單元設計中主軸軸承類（lèi）型的選擇（zé）與設計也是非常關鍵的。主軸軸（zhóu）承不但（dàn）要有高的（de）剛度和大的承載能力，而且要有較長（zhǎng）的使用壽（shòu）命。到目前為止，有4種軸承可選做（zuò）高速主軸軸承，即滾珠軸承、空氣靜壓軸承（chéng）、液體動（dòng）靜壓（yā）軸承和磁懸浮（fú）軸承（chéng）。

       滾珠軸承在高速旋（xuán）轉時滾珠會產生（shēng）很大的離心力和陀螺（luó）力矩，此時的離心力遠大於切削（xuē）時作用給（gěi）滾珠的力，故此時軸承設計的主（zhǔ）要參數不再是工作載荷（hé）了，而應是轉速。一般用轉速特征值k來表示，即k=ndm（ n—轉速，dm—軸承的平均直徑）。為此必須采取以下措施解決離（lí）心力的問題：

       ①盡量減小滾珠直徑；
       ②采用密度小的熱壓燒結Si3N4陶瓷材料製（zhì）作滾（gǔn）珠。

       Si3N4陶瓷材（cái）料具有密度小（3.2 g/cm3）、彈性模量（liàng）大（300GPa，約是（shì）軸承鋼的1.5倍）、硬度高（1800HV）、熱脹係數小、耐（nài）高溫、不導電、不導磁、導熱係數（shù）小等（děng）一係列優（yōu）良性能。用熱壓Si3N4陶瓷材料（liào）製作的軸承具有轉速高、精度高、剛（gāng）度高、溫升小（比軸承鋼軸承（chéng）減少（shǎo）35%-60%）、壽（shòu）命（mìng）長（zhǎng）等優點。價格（gé）雖比（bǐ）同規（guī）格同精度等級的鋼質軸承高2-2.5 倍，但使（shǐ）用壽（shòu）命長3-6倍，故熱壓Si3N4陶瓷製（zhì）作的軸承（chéng）是高速機床廣為采用的較為經濟適（shì）用的高速軸承。目前主要用熱壓Si3N4陶（táo）瓷製作滾珠，滾道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱（chēng）為陶瓷（cí）混合（hé）軸承（chéng），滾道也可作表（biǎo）麵改性處理，以提高其耐磨（mó）性能。

       空氣靜壓軸承（chéng）用於高精度、高轉速、輕載荷的場合（hé）。使（shǐ）用空氣軸承（chéng）的主軸單元，主（zhǔ）軸轉速（sù）可達150000r/min 以上，但輸出的扭矩和功率很小，主要用於零件的光整（zhěng）加工。
液體動靜壓軸承目前主要用於重載大功率場合。這種軸（zhóu）承（chéng）是采用液體的動（dòng）力和靜（jìng）力相結合的方法，使主軸在油膜中支撐旋轉。優點是徑向和軸向跳動小（xiǎo）、剛度高、阻（zǔ）尼特性好、壽命長，粗精加工均適用。

       磁（cí）懸浮軸承是用磁力將主軸無接觸地懸浮起來的新型智能化軸承。它（tā）的高速（sù）性能好、無接觸（chù）、無摩擦、無磨損（sǔn）、高（gāo）精度，不需潤滑和密封，還能實現實時診斷和在線監控。故被美、法、瑞（ruì）士、日本、中國等很多國家作為研究對（duì）象，是超高速（sù）主軸合適而且理想的主軸軸承，但價格昂（áng）貴，還有些技術問題（tí）尚未完全解決，因而限製了它的（de）推廣使用。

  
      四、應用

    我公（gōng）司生產的數控機（jī）床中的關鍵功能附件－A/C軸（zhóu）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（gèng）好的動態性（xìng）能及精度保持性，通過對主軸結構單元的研究與確定，進一步提升了產品的（de）質量，對高檔數控機床行業的（de）發展將起到巨大的（de）推動作用。