一、前言

       高速主軸是高速、超高速（sù）機（jī）床最重要的部件，它不僅要求（qiú）在很高的（de）轉速下旋轉，而（ér）且要有很高的同軸度（dù）、大而恒定的轉矩和過熱檢測裝置，還需要動平衡（héng）等校正措施。

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

       二、主軸結構單元分析

       （一）電主軸單元（yuán）結構分析

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

       1．內裝（zhuāng）式交流變頻電動機電主軸單元

       高速機床的高速主軸要在短時間內（nèi）實現升速和降速並在指定位置快速準確停車，這（zhè）就要求主軸具有很高的角加速度。如果通過皮帶、齒輪和離合器等中間傳動係統，不僅存在皮帶（dài）“打滑”、振動和（hé）噪聲大等缺點，而（ér）且轉動慣量（liàng）大，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（shàng），即采用內裝式無殼電動機，其空心轉子用壓配合直接裝在機床主軸上，帶有冷（lěng）卻（què）套的定子則安裝在（zài）主軸單元的殼體中，就形成了（le）內裝式電動機主軸，簡稱電主軸。這樣一來（lái），電動機的轉子就（jiù）是機床的主軸，主軸單元的殼體就是電（diàn）機（jī）座，從而實現了電動機與機床主軸的一體化。
 

       圖1 所（suǒ）示為高速電主軸單元較好的結構。目前（qián），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（shí）現扭（niǔ）矩傳遞的，其過盈量是按所（suǒ）傳遞扭矩的大小（xiǎo）計算出（chū）來的（de）。電主軸（zhóu）的過（guò）盈套筒直徑在Φ33mm～Φ250mm內有十幾個規格（gé），最高轉速達180000r/min，功率（lǜ）達（dá）70kw。

       （1）電主軸的基本參數

  
       電主軸（zhóu）的主要參數包括：主軸的最高（gāo）轉速和恒功率轉速範圍，主軸的額定功率（lǜ）和最大扭矩，主軸前軸頸（jǐng）的直（zhí）徑和前後軸承間的跨距等。其中（zhōng）主軸的最（zuì）高轉速與額定功率及前軸頸的直徑是電主軸的基本參數（shù）。

       設計機床的（de）電主（zhǔ）軸時，一般是根據用戶的（de）工藝要求，用典（diǎn）型零件的統（tǒng）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“高剛度型”分（fèn）別進行設計。前者主要用於航空航天工（gōng）業（yè）加工鋁合金、複合材料（liào）和鑄鐵等零件，後者用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（jiā）工。此外，還（hái）要選擇較好的扭矩—功率特性、調速範圍足夠（gòu）寬的變頻電動機及其（qí）控製模塊。

       （2）電（diàn）主軸的結構（gòu）布局

       根據電動機和（hé）主軸軸承（chéng）相（xiàng）對位置的不同，電主軸（zhóu）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（suǒ）示。此種布局的優點是，電（diàn）主軸單元的軸（zhóu）向尺寸較小、主（zhǔ）軸剛度高、出力（lì）大，適用於大（dà）中型（xíng）加工中（zhōng）心，故（gù）大（dà）多數加工中心采（cǎi）用此結構布局方式。

       電動機置於後軸承（chéng）之後，結構如圖7（b）所示。此時（shí）主軸箱與電動機作軸向的同軸布置（也可用聯軸節）。其（qí）優點是，前端的徑向（xiàng）尺寸（cùn）可減小，電動機的散（sàn）熱條件較好。但整個電主軸單元的軸（zhóu）向尺寸較大，與（yǔ）主軸的同軸度不易調整。常用於小型高（gāo）速數控機床，尤其適合於加工模具型腔的高速精密機床。前後軸承間的跨距及主軸前端的伸出量（liàng），均（jun1）應按靜剛度和（hé）動剛度（dù）的要求來計算（suàn）。
   

     
 
                                       圖1 CD-2 型電主（zhǔ）軸（zhóu）單元

   
        2. 內埋式永（yǒng）磁同（tóng）步電動機（jī）電主軸單元

       圖2為內埋式永磁同步電動機電主軸（zhóu）單元的結（jié）構示意圖。單（dān）元中（zhōng）的主軸（zhóu）部件由高速（sù）精密陶瓷軸承支撐於電主軸的外殼（ké）中（zhōng），外殼中還安（ān）裝有電動機的定子鐵心（xīn）和三相定（dìng）子繞組。為了有效地散熱，在外殼體內開設了冷卻管路。主軸係統工作時，由冷卻（què）泵打入冷卻液帶走（zǒu）主軸（zhóu）單元內的熱量，以保證電（diàn）主軸的正常（cháng）工作。主軸為空心（xīn）結構，其內部和頂端安裝有（yǒu）刀具的拉緊和鬆開機構，以實現刀具的自（zì）動換刀。主軸外套內有電動機轉（zhuǎn）子，主軸端（duān）部還裝（zhuāng）有激光角（jiǎo）位移傳感器（qì），以實現對主軸旋轉位（wèi）置的閉（bì）環（huán）控製，保證自（zì）動換刀時實現主軸的準停（tíng）和（hé）螺紋加工時的C軸與Z軸的準確（què）聯動。
  
   

       
 
                              圖2 內埋（mái）式永磁同（tóng）步電動機電主軸（zhóu）單元結構示（shì）意圖（tú）

       采用內埋式永磁同步（bù）電動機電主軸單元有如下優點：

       ①電動機的效率高，電（diàn）主軸（zhóu）單元的體積小、重量（liàng）輕，有利於（yú）實現（xiàn）主軸（zhóu）單元的位置與姿態的高（gāo）速控製；
       ②用新型永久磁鐵代（dài）替了感應（yīng）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，提高了電動機高速運行時的可靠性與（yǔ）安（ān）全性；
       ④可方便（biàn）地實現恒功率弱磁調速，從而擴大了電主軸的調速範圍，有效地滿足了寬範圍高速切削的要求。

       3. 其他結構的主（zhǔ）軸單元

       除電主（zhǔ）軸結構單元外，也可（kě）采用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（jiē）驅（qū）動。這樣有利於電動機的散熱，省去了（le）水冷卻裝置。缺點是（shì）增加了轉動慣量，降低（dī）了角加速（sù）度。

       除上述電主軸單元外，氣動主軸單元和水動主軸單元也在研究開發中。但它們的輸出功率更（gèng）小，甚至小（xiǎo）到幾（jǐ）十瓦。

  
        三、主軸軸承的分析

  
       高速主軸單元設計中主軸軸（zhóu）承類型的選擇與設計也是非（fēi）常關鍵的。主（zhǔ）軸軸承（chéng）不但要有高的剛度和大的承載能力（lì），而且要有較長的使用壽命。到目前為止，有4種軸承（chéng）可選做高速主軸軸承，即滾珠軸承、空氣靜壓軸承、液（yè）體動靜壓軸承和磁（cí）懸浮軸承（chéng）。

       滾珠軸（zhóu）承在高速旋轉（zhuǎn）時滾珠會產生（shēng）很（hěn）大的離心力和陀螺力矩，此時的離心力遠大於（yú）切削時作用給滾珠的力，故此時軸承設計的主（zhǔ）要參數不再是工作（zuò）載荷了，而應（yīng）是轉速。一般用轉速特（tè）征值k來表示（shì），即k=ndm（ n—轉速，dm—軸承的（de）平（píng）均直徑）。為此必須采取（qǔ）以下措施解決離心力的問題：

       ①盡量減（jiǎn）小滾珠直徑；
       ②采用密度（dù）小的熱壓燒結Si3N4陶瓷材料製作滾珠（zhū）。

       Si3N4陶瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、彈性模量大（300GPa，約是軸承（chéng）鋼的1.5倍）、硬度高（1800HV）、熱脹係（xì）數小、耐高溫、不（bú）導電、不導磁、導熱係數小等一係列優良性能。用熱壓Si3N4陶瓷材料製作的軸承具（jù）有轉速高（gāo）、精度高、剛度高、溫升小（比軸承鋼軸承減少35%-60%）、壽命長等優點。價格雖比同規格同精度等級的鋼質軸承高2-2.5 倍，但（dàn）使用壽命長3-6倍，故熱壓Si3N4陶瓷製作的軸承是高（gāo）速機（jī）床廣為采（cǎi）用的（de）較為經濟適用的（de）高速軸承。目前（qián）主要用熱壓Si3N4陶瓷製作（zuò）滾珠，滾道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱為陶瓷混合軸承，滾道也（yě）可作表麵改性處理，以提高其耐磨性能。

       空氣（qì）靜（jìng）壓軸承用於高精度、高轉速、輕載荷的場合。使用空氣軸承（chéng）的主軸單（dān）元，主（zhǔ）軸轉（zhuǎn）速可達（dá）150000r/min 以上，但輸出的扭矩（jǔ）和功率很（hěn）小，主要用於零件（jiàn）的光整加工。
液體動靜壓軸承目前主要用於重（chóng）載大功率場合（hé）。這種軸承（chéng）是采用液體的動力和靜力相結（jié）合的方法，使主軸在油膜中支撐（chēng）旋轉。優（yōu）點是徑向和軸向跳動小、剛度高、阻尼特（tè）性好、壽命長，粗精加工均適用。

       磁懸浮軸承是用磁力將主軸無接觸地懸浮（fú）起（qǐ）來（lái）的新型智能化軸承。它的高速性能好、無接觸（chù）、無摩擦、無磨損、高精（jīng）度，不需潤滑和密封，還能實（shí）現實時診斷和在（zài）線監控。故被美、法、瑞士、日本、中國等很多國家作為研究對（duì）象，是超高速主軸合適而且理想的主軸軸承，但價（jià）格（gé）昂貴，還有些技（jì）術問題尚未（wèi）完全解決（jué），因而限製了（le）它的推廣使用。

  
      四、應用

    我公司（sī）生產的數（shù）控機床中的關鍵功能附件－A/C軸雙擺角銑頭的主軸，采用的就是電主軸直接驅動技（jì）術（shù），具（jù）有高速（sù）、高精和（hé）更好的動態性能及精度保持性，通過對主軸（zhóu）結構單元的研究與確定，進一步提升了產品的質量（liàng），對高檔數（shù）控機床（chuáng）行（háng）業的發展將起到巨（jù）大的推動作用。