近10年隨著高速加工技術的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應用，各工業(yè)部門，特別是航空航天、汽車工業(yè)、模具加工和摩托車工業(yè)等，對高速數(shù)控機床的需求量與日俱增。美、日、德、意和瑞士等工業(yè)發(fā)達國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機床，下表列出了近幾年在國際機床市場上出現(xiàn)的幾種著名品牌的高速加工中心。

新型高速加工中心表

制造廠家 (國別)	機床名稱和型號	主軸最高轉速 (r/min)	最大進給速度 (m/min)	主軸驅動功率(kW)
Cincinati Milacron(美)	Maxim 500型 臥式加工中心	20000	28	12
Ingersoll(美)	HVM800型高速 臥式加工中心	20000	76.2	45
Mikron(美)	HSM700型 高速立式加工中心	42000	40	14
Ex-cell-O(德)	XHC241型高速 臥式加工中心	24000	120	40
RODERS(德)	RFM1000型加工中心	42000	30	20～30
Makino(日)	A55-A128型 加工中心	40000	50	22
新瀉鐵工(日)	VZ40型加工中心	50000	20	18.5
Mazak(日)	Super-400H型 加工中心	25000	15	18.5

(a)無矢量控制	(b)有矢量控制
圖1 扭矩—功率特性

一般說來，高速機床都是數(shù)控機床和精密機床，其傳動結構的最大特點是實現(xiàn)了機床的“零傳動”。從機床的主傳動系統(tǒng)來看，這種傳動方式取消了從主電動機到主軸之間一切中間的機械傳動環(huán)節(jié)(如皮帶、齒輪、離合器等)，實現(xiàn)了主電動機與機床主軸的一體化。這種傳動方式有以下優(yōu)點：

1. 機械結構最為簡單，傳動慣量小，因而快速響應性好，能實現(xiàn)極高的速度、加(減)速度和定角度的快速準停(C軸控制)。
2. 采用交流變頻調速和矢量控制的電氣驅動技術，輸出功率大，調速范圍寬。有比較理想的扭矩——功率特性(圖1b)，一次裝夾既可實現(xiàn)粗加工又可進行高速精加工。
3. 實現(xiàn)了主軸部件的單元化，可獨立做成標準化的功能部件，并由專業(yè)廠進行系列化生產(chǎn)。機床主機廠只需根據(jù)用戶的不同要求進行選用，可很方便地組成各種性能的高速機床，符合現(xiàn)代機床設計模塊化的發(fā)展方向。

電主軸的機械結構雖然比較簡單，但制造工藝的要求卻非常嚴格。這種結構還帶來一系列新的技術難題，諸如內置電動機的散熱、高速主軸的動平衡、主軸支承及其潤滑方式的合理設計等問題，必須妥善地得到解決，才能確保主軸穩(wěn)定可靠的高速運轉，實現(xiàn)高效精密加工。本文結合我校高速電主軸的研制實踐，探討銑鏜類高速大功率電主軸設計與制造中的有關問題。

1 電主軸的基本參數(shù)與結構布局

電主軸的主要參數(shù)有：(1)主軸最高轉速和恒功率轉速范圍：(2)主軸的額定功率和最大扭矩：(3)主軸前軸頸直徑和前后軸承的跨距等。其中主軸最高轉速、前軸頸直徑和額定功率是基本參數(shù)。電主軸通常裝備在高速加工中心上，在設計電主軸時要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計分析的方法來確定這些參數(shù)。機床廠對同一尺寸規(guī)格的高速機床，一般會分兩大類型，即“高速型”和“高剛度型”分別進行設計。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復合材料和鑄鐵等零件：后者主要用于模具制造、汽車工業(yè)中高強度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工。在設計電主軸時，還要注意選擇有較好扭矩———功率特性和有足夠寬調速范圍的變頻電動機及其控制模塊。根據(jù)主電動機和主軸軸承相對位置的不同，高速電主軸有兩種布局方式：

1.編碼盤 2.電主軸殼體 3.冷卻水套 4.電動機定子 5.油氣噴嘴 6.電動機轉子 7.階梯過盈套 8.平衡盤 9.角接觸陶瓷球軸承 圖2 GD-2型電主軸

1.液壓缸 2.拉桿 3.主軸軸承 4.碟形彈簧 5.夾頭 6.主軸 7.內置電動機圖3 主電動機位于后軸承之后的電主軸

1. 主電動機置于主軸前、后軸承之間。圖2所示是我校研制的GD-2型高速電主軸，也是一般電主軸的基本結構形式。其優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度高，出力大，較適用于中、大型高速加工中心，目前大多數(shù)電主軸都采用這種結構形式。
2. 主電動機置于主軸后軸承之后，如圖3所示，即主軸箱和主電動機作軸向的同軸布置(有的用聯(lián)軸節(jié))。這種布局方式有利于減小電主軸前端的徑向尺寸，電動機的散熱條件也較好。但整個主軸單元的軸向尺寸較大，常用于小型高速數(shù)控機床，尤其適合于模具型腔的高速精密加工。

有關電主軸前后軸承之跨距及主軸端部伸出量，應按靜剛度和動剛度的要求進行計算。

2 電主軸的主要熱源及其解決辦法

用于銑鏜類高速加工中心的電主軸運轉中的發(fā)熱問題始終是人們關注的焦點。電主軸的內部有兩個主要熱源，一是內藏式主電動機，另一個是主軸軸承。

與一般的主軸部件不同，電主軸最突出的問題之一是內藏式高速主電動機的發(fā)熱。由于主電動機旁邊就是主軸軸承，電動機的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機的散熱問題解決不好，還會影響機床工作的可靠性。圖4所示為我校高速電主軸的外循環(huán)油% 水冷卻系統(tǒng)。在主電動機定子的外面加一帶螺旋槽的鋁質外套3(圖2)，機床工作時，冷卻油不斷在該螺旋槽中流動，從而把主電動機的熱量及時、迅速地帶走。冷卻油的流量可按主電動機的發(fā)熱量進行計算。

圖4 GD-2型電主軸的油-水熱交換系統(tǒng)

1.潤滑油箱 2、6.壓力開關 3.定量分配器 4.噴咀 5.泵 7.壓縮空氣 8.電磁閥 9.時間繼電 10.壓力表 圖5 GD-2型電主軸的油-氣潤滑系統(tǒng)

為了進一步降低主軸軸承的溫升，GD-2電主軸上采用了油-氣潤滑系統(tǒng)，如圖5所示。

實測表明，在高速運轉條件下，主軸軸承的溫升比油霧潤滑的溫升可降低9～16℃，而且隨著d_m·n 值的增大，降溫效果更好。

3 電主軸的動平衡設計

電主軸的最高轉速一般在10000r/min以上，有的高達60000～100000r/min，主軸運轉部分微小的不平衡量，都會引起巨大的離心力，造成機床的振動，影響加工精度和表面質量。因此必須對電主軸進行嚴格的動平衡。主軸及主軸上的零件都要經(jīng)過十分精密的加工、裝配和調校，使主軸組件動平衡精度達到0.4級以上的水平。

1.轉子內套 2、4.端蓋 3.轉子硅鋼片 圖6 高速電主軸轉子的動平衡設計

在設計電主軸時，必須嚴格遵守結構對稱性原則，鍵連接和螺紋聯(lián)接在電主軸上被禁止使用。如圖2所示，電動機轉子與機床主軸之間用過盈配合來實現(xiàn)扭矩的傳遞，過盈量應按所傳遞的扭矩來計算，其值有時高達0.08～0.10mm。主軸上軸向固定零件用的螺紋套也用與主軸有過盈配合的圓盤來代替。

設計這種過盈聯(lián)接裝置時，還必須考慮其拆卸的方便。如圖6所示，安裝硅鋼片的轉子內套1用鉻錳彈簧鋼制造，且其壁厚較小，故有較好的彈性。當需要把轉子從主軸上拆卸下來時(為了更換已磨損的前軸承，見圖1)，可用手提式高壓泵將油從轉子內套左端的小孔a壓入，高壓油進入內套的環(huán)形內孔e后，即可將套1的內徑脹大，這樣就可把轉子順利地從主軸上拆卸下來。為了保持主軸結構的對稱性，轉子內套上也對稱地加工了另一個小孔b。當從小孔a加壓力油時，可用螺栓把小孔 b堵住。

為了使轉子在裝配后達到精確的動平衡，除了上述對稱性設計以外，還必須采取下列兩個工藝措施：一是轉子硅鋼片3的外徑D在裝配前應留有一定的加工余量，當轉子用熱壓法(轉子一般加溫到180～200℃)裝入主軸以后，以主軸前、后軸頸為定位支承，把主軸裝夾在車床上，對轉子的硅鋼片外圓D 進行最后的精車。另一個保證主軸動平衡的措施是在電動機轉子的兩個端蓋2、3上，對稱地加工出16～24個直徑略有不同的螺紋孔c、d(M4 或M6)。當電主軸組裝完畢后，根據(jù)動平衡機的測試結果，在一定的方位上，旋入相應的平衡螺絲并調節(jié)其旋入深度，直到完全達到動平衡精度后，用環(huán)氧樹脂將這些平衡螺絲固化。

4 結束語

電主軸作為高速數(shù)控機床最關鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺高速機床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此各工業(yè)國家都十分關注高速電主軸的研究與發(fā)展，紛紛投入巨資，裝備精良的加工和測試設備，建立恒溫、潔凈的裝配環(huán)境，形成了不少電主軸的專業(yè)生產(chǎn)基地。

我國高速電主軸的設計制造技術剛剛起步，目前尚未形成批量生產(chǎn)規(guī)模，電主軸的各項性能指標和國外尚有較大的差距。為了加快我國高速加工技術的發(fā)展與應用，加速數(shù)控機床產(chǎn)品的更新?lián)Q代，建議進一步組織力量對上述問題進行技術攻關，早日實現(xiàn)電主軸的專業(yè)化批量生產(chǎn)。