一、前言
高速主軸是高速、超高速機床最重要的部件，它不僅要求在很高的轉速下旋轉，而且要有很高的同軸度、大而恒定的轉矩和過熱檢測裝置，還需要動平衡等校正措施。
主軸結構單元包括：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軸單元。
1．內裝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實現升速和降速并在指定位置快速準確停車，這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系統，不僅存在皮帶“打滑”、振動和噪聲大等缺點，而且轉動慣量大，很顯然這些中間傳動系統已不再適應要求。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，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體中，就形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，其過盈量是按所傳遞扭矩的大小計算出來的。電主軸的過盈套筒直徑在Φ33mm～Φ250mm內有十幾個規(guī)格，最高轉速達180000r/min，功率達70kw。
（1）電主軸的基本參數
電主軸的主要參數包括：主軸的最高轉速和恒功率轉速范圍，主軸的額定功率和最大扭矩，主軸前軸頸的直徑和前后軸承間的跨距等。其中主軸的最高轉速與額定功率及前軸頸的直徑是電主軸的基本參數。
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(guī)格的高速機床又分為“高速型”與“高剛度型”分別進行設計。前者主要用于航空航天工業(yè)加工鋁合金、復合材料和鑄鐵等零件，后者用于模具制造及高強度鋼、高溫合金等難加工材料及鋼件的高效加工。此外，還要選擇較好的扭矩—功率特性、調速范圍足夠寬的變頻電動機及其控制模塊。
（2）電主軸的結構布局
根據電動機和主軸軸承相對位置的不同，電主軸的布局可有兩種方式：電動機置于主軸前后兩軸承之間，結構如圖1（a）所示。此種布局的優(yōu)點是，電主軸單元的軸向尺寸較小、主軸剛度高、出力大，適用于大中型加工中心，故大多數加工中心采用此結構布局方式。
電動機置于后軸承之后，結構如圖7（b）所示。此時主軸箱與電動機作軸向的同軸布置（也可用聯軸節(jié)）。其優(yōu)點是，前端的徑向尺寸可減小，電動機的散熱條件較好。但整個電主軸單元的軸向尺寸較大，與主軸的同軸度不易調整。常用于小型高速數控機床，尤其適合于加工模具型腔的高速精密機床。前后軸承間的跨距及主軸前端的伸出量，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
2. 內埋式永磁同步電動機電主軸單元
圖2為內埋式永磁同步電動機電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支撐于電主軸的外殼中，外殼中還安裝有電動機的定子鐵心和三相定子繞組。為了有效地散熱，在外殼體內開設了冷卻管路。主軸系統工作時，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，其內部和頂端安裝有刀具的拉緊和松開機構，以實現刀具的自動換刀。主軸外套內有電動機轉子，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(huán)控制，保證自動換刀時實現主軸的準停和螺紋加工時的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構示意圖
采用內埋式永磁同步電動機電主軸單元有如下優(yōu)點：
①電動機的效率高，電主軸單元的體積小、重量輕，有利于實現主軸單元的位置與姿態(tài)的高速控制；
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，有利于保證主軸的精度；
③有較高的強度，提高了電動機高速運行時的可靠性與安全性；
④可方便地實現恒功率弱磁調速，從而擴大了電主軸的調速范圍，有效地滿足了寬范圍高速切削的要求。
3. 其他結構的主軸單元
除電主軸結構單元外，也可采用薄膜聯軸節(jié)將電動機與主軸連為一體，從而實現主軸的直接驅動。這樣有利于電動機的散熱，省去了水冷卻裝置。缺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，氣動主軸單元和水動主軸單元也在研究開發(fā)中。但它們的輸出功率更小，甚至小到幾十瓦。
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、液體動靜壓軸承和磁懸浮軸承。
滾珠軸承在高速旋轉時滾珠會產生很大的離心力和陀螺力矩，此時的離心力遠大于切削時作用給滾珠的力，故此時軸承設計的主要參數不再是工作載荷了，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陶瓷材料制作滾珠。
Si3N4陶瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、彈性模量大（300GPa，約是軸承鋼的1.5倍）、硬度高（1800HV）、熱脹系數小、耐高溫、不導電、不導磁、導熱系數小等一系列優(yōu)良性能。用熱壓Si3N4陶瓷材料制作的軸承具有轉速高、精度高、剛度高、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(guī)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，故熱壓Si3N4陶瓷制作的軸承是高速機床廣為采用的較為經濟適用的高速軸承。目前主要用熱壓Si3N4陶瓷制作滾珠，滾道仍然用軸承鋼，這種軸承被稱為陶瓷混合軸承，滾道也可作表面改性處理，以提高其耐磨性能。
空氣靜壓軸承用于高精度、高轉速、輕載荷的場合。使用空氣軸承的主軸單元，主軸轉速可達150000r/min 以上，但輸出的扭矩和功率很小，主要用于零件的光整加工。
液體動靜壓軸承目前主要用于重載大功率場合。這種軸承是采用液體的動力和靜力相結合的方法，使主軸在油膜中支撐旋轉。優(yōu)點是徑向和軸向跳動小、剛度高、阻尼特性好、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起來的新型智能化軸承。它的高速性能好、無接觸、無摩擦、無磨損、高精度，不需潤滑和密封，還能實現實時診斷和在線監(jiān)控。故被美、法、瑞士、日本、中國等很多國家作為研究對象，是超高速主軸合適而且理想的主軸軸承，但價格昂貴，還有些技術問題尚未完全解決，因而限制了它的推廣使用。
四、應用
我公司生產的數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術，具有高速、高精和更好的動態(tài)性能及精度保持性，通過對主軸結構單元的研究與確定，進一步提升了產品的質量，對高檔數控機床行業(yè)的發(fā)展將起到巨大的推動作用。
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