一、前言

       高速主轴是高速、超高速机床最重要的部件，它不仅要求在很高的转速下旋转，而且要有很高的同轴度、大而恒定的转矩和过热检测装置，还需要动平衡等校正措施。

     主轴结构单元包括：电主轴单元、轴承及其润滑单元、电主轴的冷却及动平衡单元。以下主要对电主轴单元及轴承单元结构进行介绍和分析。

       二、主轴结构单元分析

       （一）电主轴单元结构分析

       现在采用的电主轴单元有两种：一种是内装（藏）式交流变频电动机电主轴单元，另一种是内埋式永磁同步电动机电主轴单元。

       1．内装式交流变频电动机电主轴单元

       高速机床的高速主轴要在短时间内实现升速和降速并在指定位置快速准确停车，这就要求主轴具有很高的角加速度。如果通过皮带、齿轮和离合器等中间传动系统，不仅存在皮带“打滑”、振动和噪声大等缺点，而且转动惯量大，很显然这些中间传动系统已不再适应要求。如将交流变频电动机直接装在机床主轴上，即采用内装式无壳电动机，其空心转子用压配合直接装在机床主轴上，带有冷却套的定子则安装在主轴单元的壳体中，就形成了内装式电动机主轴，简称电主轴。这样一来，电动机的转子就是机床的主轴，主轴单元的壳体就是电机座，从而实现了电动机与机床主轴的一体化。
 

       图1 所示为高速电主轴单元较好的结构。目前，电动机的转子与机床的主轴间是靠过盈套筒的过盈配合实现扭矩传递的，其过盈量是按所传递扭矩的大小计算出来的。电主轴的过盈套筒直径在Φ33mm～Φ250mm内有十几个规格，最高转速达180000r/min，功率达70kw。

       （1）电主轴的基本参数

  
       电主轴的主要参数包括：主轴的最高转速和恒功率转速范围，主轴的额定功率和最大扭矩，主轴前轴颈的直径和前后轴承间的跨距等。其中主轴的最高转速与额定功率及前轴颈的直径是电主轴的基本参数。

       设计机床的电主轴时，一般是根据用户的工艺要求，用典型零件的统计分析法来确定上述各参数。通常把同一尺寸规格的高速机床又分为“高速型”与“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空航天工业加工铝合金、复合材料和铸铁等零件，后者用于模具制造及高强度钢、高温合金等难加工材料及钢件的高效加工。此外，还要选择较好的扭矩—功率特性、调速范围足够宽的变频电动机及其控制模块。

       （2）电主轴的结构布局

       根据电动机和主轴轴承相对位置的不同，电主轴的布局可有两种方式：电动机置于主轴前后两轴承之间，结构如图1（a）所示。此种布局的优点是，电主轴单元的轴向尺寸较小、主轴刚度高、出力大，适用于大中型加工中心，故大多数加工中心采用此结构布局方式。

       电动机置于后轴承之后，结构如图7（b）所示。此时主轴箱与电动机作轴向的同轴布置（也可用联轴节）。其优点是，前端的径向尺寸可减小，电动机的散热条件较好。但整个电主轴单元的轴向尺寸较大，与主轴的同轴度不易调整。常用于小型高速数控机床，尤其适合于加工模具型腔的高速精密机床。前后轴承间的跨距及主轴前端的伸出量，均应按静刚度和动刚度的要求来计算。
   

     
 
                                       图1 CD-2 型电主轴单元

   
        2. 内埋式永磁同步电动机电主轴单元

       图2为内埋式永磁同步电动机电主轴单元的结构示意图。单元中的主轴部件由高速精密陶瓷轴承支撑于电主轴的外壳中，外壳中还安装有电动机的定子铁心和三相定子绕组。为了有效地散热，在外壳体内开设了冷却管路。主轴系统工作时，由冷却泵打入冷却液带走主轴单元内的热量，以保证电主轴的正常工作。主轴为空心结构，其内部和顶端安装有刀具的拉紧和松开机构，以实现刀具的自动换刀。主轴外套内有电动机转子，主轴端部还装有激光角位移传感器，以实现对主轴旋转位置的闭环控制，保证自动换刀时实现主轴的准停和螺纹加工时的C轴与Z轴的准确联动。
  
   

       
 
                              图2 内埋式永磁同步电动机电主轴单元结构示意图

       采用内埋式永磁同步电动机电主轴单元有如下优点：

       ①电动机的效率高，电主轴单元的体积小、重量轻，有利于实现主轴单元的位置与姿态的高速控制；
       ②用新型永久磁铁代替了感应电动机的鼠笼，转子发热少，有利于保证主轴的精度；
       ③有较高的强度，提高了电动机高速运行时的可靠性与安全性；
       ④可方便地实现恒功率弱磁调速，从而扩大了电主轴的调速范围，有效地满足了宽范围高速切削的要求。

       3. 其他结构的主轴单元

       除电主轴结构单元外，也可采用薄膜联轴节将电动机与主轴连为一体，从而实现主轴的直接驱动。这样有利于电动机的散热，省去了水冷却装置。缺点是增加了转动惯量，降低了角加速度。

       除上述电主轴单元外，气动主轴单元和水动主轴单元也在研究开发中。但它们的输出功率更小，甚至小到几十瓦。

  
        三、主轴轴承的分析

  
       高速主轴单元设计中主轴轴承类型的选择与设计也是非常关键的。主轴轴承不但要有高的刚度和大的承载能力，而且要有较长的使用寿命。到目前为止，有4种轴承可选做高速主轴轴承，即滚珠轴承、空气静压轴承、液体动静压轴承和磁悬浮轴承。

       滚珠轴承在高速旋转时滚珠会产生很大的离心力和陀螺力矩，此时的离心力远大于切削时作用给滚珠的力，故此时轴承设计的主要参数不再是工作载荷了，而应是转速。一般用转速特征值k来表示，即k=ndm（ n—转速，dm—轴承的平均直径）。为此必须采取以下措施解决离心力的问题：

       ①尽量减小滚珠直径；
       ②采用密度小的热压烧结Si3N4陶瓷材料制作滚珠。

       Si3N4陶瓷材料具有密度小（3.2 g/cm3）、弹性模量大（300GPa，约是轴承钢的1.5倍）、硬度高（1800HV）、热胀系数小、耐高温、不导电、不导磁、导热系数小等一系列优良性能。用热压Si3N4陶瓷材料制作的轴承具有转速高、精度高、刚度高、温升小（比轴承钢轴承减少35%-60%）、寿命长等优点。价格虽比同规格同精度等级的钢质轴承高2-2.5 倍，但使用寿命长3-6倍，故热压Si3N4陶瓷制作的轴承是高速机床广为采用的较为经济适用的高速轴承。目前主要用热压Si3N4陶瓷制作滚珠，滚道仍然用轴承钢，这种轴承被称为陶瓷混合轴承，滚道也可作表面改性处理，以提高其耐磨性能。

       空气静压轴承用于高精度、高转速、轻载荷的场合。使用空气轴承的主轴单元，主轴转速可达150000r/min 以上，但输出的扭矩和功率很小，主要用于零件的光整加工。
液体动静压轴承目前主要用于重载大功率场合。这种轴承是采用液体的动力和静力相结合的方法，使主轴在油膜中支撑旋转。优点是径向和轴向跳动小、刚度高、阻尼特性好、寿命长，粗精加工均适用。

       磁悬浮轴承是用磁力将主轴无接触地悬浮起来的新型智能化轴承。它的高速性能好、无接触、无摩擦、无磨损、高精度，不需润滑和密封，还能实现实时诊断和在线监控。故被美、法、瑞士、日本、中国等很多国家作为研究对象，是超高速主轴合适而且理想的主轴轴承，但价格昂贵，还有些技术问题尚未完全解决，因而限制了它的推广使用。

  
      四、应用

    我公司生产的数控机床中的关键功能附件－A/C轴双摆角铣头的主轴，采用的就是电主轴直接驱动技术，具有高速、高精和更好的动态性能及精度保持性，通过对主轴结构单元的研究与确定，进一步提升了产品的质量，对高档数控机床行业的发展将起到巨大的推动作用。