近10年隨著高速加工技術(shù)的迅猛發(fā)展和日益廣泛的應(yīng)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(duì)高速數(shù)控機(jī)床的需求量與日俱增。美、日、德、意和瑞士等工業(yè)發(fā)達(dá)國家已生產(chǎn)了多種商品化高速機(jī)床，下表列出了近幾年在國際機(jī)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(jī)床名稱和型號(hào)	主軸最高轉(zhuǎn)速 (r/min)	最大進(jìn)給速度 (m/min)	主軸驅(qū)動(dòng)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(jī)床都是數(shù)控機(jī)床和精密機(jī)床，其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的最大特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了機(jī)床的“零傳動(dòng)”。從機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)來看，這種傳動(dòng)方式取消了從主電動(dòng)機(jī)到主軸之間一切中間的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)(如皮帶、齒輪、離合器等)，實(shí)現(xiàn)了主電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸的一體化。這種傳動(dòng)方式有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. 機(jī)械結(jié)構(gòu)最為簡單，傳動(dòng)慣量小，因而快速響應(yīng)性好，能實(shí)現(xiàn)極高的速度、加(減)速度和定角度的快速準(zhǔn)停(C軸控制)。
2. 采用交流變頻調(diào)速和矢量控制的電氣驅(qū)動(dòng)技術(shù)，輸出功率大，調(diào)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(shí)現(xiàn)粗加工又可進(jìn)行高速精加工。
3. 實(shí)現(xiàn)了主軸部件的單元化，可獨(dú)立做成標(biāo)準(zhǔn)化的功能部件，并由專業(yè)廠進(jìn)行系列化生產(chǎn)。機(jī)床主機(jī)廠只需根據(jù)用戶的不同要求進(jìn)行選用，可很方便地組成各種性能的高速機(jī)床，符合現(xiàn)代機(jī)床設(shè)計(jì)模塊化的發(fā)展方向。

電主軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)雖然比較簡單，但制造工藝的要求卻非常嚴(yán)格。這種結(jié)構(gòu)還帶來一系列新的技術(shù)難題，諸如內(nèi)置電動(dòng)機(jī)的散熱、高速主軸的動(dòng)平衡、主軸支承及其潤滑方式的合理設(shè)計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高效精密加工。本文結(jié)合我校高速電主軸的研制實(shí)踐，探討銑鏜類高速大功率電主軸設(shè)計(jì)與制造中的有關(guān)問題。

1 電主軸的基本參數(shù)與結(jié)構(gòu)布局

電主軸的主要參數(shù)有：(1)主軸最高轉(zhuǎn)速和恒功率轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)計(jì)電主軸時(shí)要根據(jù)用戶的工藝要求，采用典型零件統(tǒng)計(jì)分析的方法來確定這些參數(shù)。機(jī)床廠對(duì)同一尺寸規(guī)格的高速機(jī)床，一般會(huì)分兩大類型，即“高速型”和“高剛度型”分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。前者主要用于航空、航天等工業(yè)加工輕合金、復(fù)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(qiáng)度鋼或耐熱合金等難加工材料和鋼件的高效加工。在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，還要注意選擇有較好扭矩———功率特性和有足夠?qū)捳{(diào)速范圍的變頻電動(dòng)機(jī)及其控制模塊。根據(jù)主電動(dòng)機(jī)和主軸軸承相對(duì)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(dòng)機(jī)定子 5.油氣噴嘴 6.電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(nèi)置電動(dòng)機(jī)圖3 主電動(dòng)機(jī)位于后軸承之后的電主軸

1. 主電動(dòng)機(jī)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(jié)構(gòu)形式。其優(yōu)點(diǎn)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(jié)構(gòu)形式。
2. 主電動(dòng)機(jī)置于主軸后軸承之后，如圖3所示，即主軸箱和主電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的散熱條件也較好。但整個(gè)主軸單元的軸向尺寸較大，常用于小型高速數(shù)控機(jī)床，尤其適合于模具型腔的高速精密加工。

有關(guān)電主軸前后軸承之跨距及主軸端部伸出量，應(yīng)按靜剛度和動(dòng)剛度的要求進(jìn)行計(jì)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(yùn)轉(zhuǎn)中的發(fā)熱問題始終是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。電主軸的內(nèi)部有兩個(gè)主要熱源，一是內(nèi)藏式主電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)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(nèi)藏式高速主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱。由于主電動(dòng)機(jī)旁邊就是主軸軸承，電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱會(huì)直接降低軸承的工作精度，如果主電動(dòng)機(jī)的散熱問題解決不好，還會(huì)影響機(jī)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(dòng)機(jī)定子的外面加一帶螺旋槽的鋁質(zhì)外套3(圖2)，機(jī)床工作時(shí)，冷卻油不斷在該螺旋槽中流動(dòng)，從而把主電動(dòng)機(jī)的熱量及時(shí)、迅速地帶走。冷卻油的流量可按主電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱量進(jìn)行計(jì)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(guān) 3.定量分配器 4.噴咀 5.泵 7.壓縮空氣 8.電磁閥 9.時(shí)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(jìn)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(shí)測表明，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)平衡設(shè)計(jì)

電主軸的最高轉(zhuǎn)速一般在10000r/min以上，有的高達(dá)60000～100000r/min，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)部分微小的不平衡量，都會(huì)引起巨大的離心力，造成機(jī)床的振動(dòng)，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此必須對(duì)電主軸進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)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(diào)校，使主軸組件動(dòng)平衡精度達(dá)到0.4級(jí)以上的水平。

1.轉(zhuǎn)子內(nèi)套 2、4.端蓋 3.轉(zhuǎn)子硅鋼片 圖6 高速電主軸轉(zhuǎn)子的動(dòng)平衡設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)電主軸時(shí)，必須嚴(yán)格遵守結(jié)構(gòu)對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與機(jī)床主軸之間用過盈配合來實(shí)現(xiàn)扭矩的傳遞，過盈量應(yīng)按所傳遞的扭矩來計(jì)算，其值有時(shí)高達(dá)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(shè)計(jì)這種過盈聯(lián)接裝置時(shí)，還必須考慮其拆卸的方便。如圖6所示，安裝硅鋼片的轉(zhuǎn)子內(nèi)套1用鉻錳彈簧鋼制造，且其壁厚較小，故有較好的彈性。當(dāng)需要把轉(zhuǎn)子從主軸上拆卸下來時(shí)(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(zhuǎn)子內(nèi)套左端的小孔a壓入，高壓油進(jìn)入內(nèi)套的環(huán)形內(nèi)孔e后，即可將套1的內(nèi)徑脹大，這樣就可把轉(zhuǎn)子順利地從主軸上拆卸下來。為了保持主軸結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性，轉(zhuǎn)子內(nèi)套上也對(duì)稱地加工了另一個(gè)小孔b。當(dāng)從小孔a加壓力油時(shí)，可用螺栓把小孔 b堵住。

為了使轉(zhuǎn)子在裝配后達(dá)到精確的動(dòng)平衡，除了上述對(duì)稱性設(shè)計(jì)以外，還必須采取下列兩個(gè)工藝措施：一是轉(zhuǎn)子硅鋼片3的外徑D在裝配前應(yīng)留有一定的加工余量，當(dāng)轉(zhuǎn)子用熱壓法(轉(zhuǎn)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(duì)轉(zhuǎn)子的硅鋼片外圓D 進(jìn)行最后的精車。另一個(gè)保證主軸動(dòng)平衡的措施是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的兩個(gè)端蓋2、3上，對(duì)稱地加工出16～24個(gè)直徑略有不同的螺紋孔c、d(M4 或M6)。當(dāng)電主軸組裝完畢后，根據(jù)動(dòng)平衡機(jī)的測試結(jié)果，在一定的方位上，旋入相應(yīng)的平衡螺絲并調(diào)節(jié)其旋入深度，直到完全達(dá)到動(dòng)平衡精度后，用環(huán)氧樹脂將這些平衡螺絲固化。

4 結(jié)束語

電主軸作為高速數(shù)控機(jī)床最關(guān)鍵部件，其性能好壞在很大程度上決定了整臺(tái)高速機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)效率，因此各工業(yè)國家都十分關(guān)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(shè)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(shè)計(jì)制造技術(shù)剛剛起步，目前尚未形成批量生產(chǎn)規(guī)模，電主軸的各項(xiàng)性能指標(biāo)和國外尚有較大的差距。為了加快我國高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品的更新?lián)Q代，建議進(jìn)一步組織力量對(duì)上述問題進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，早日實(shí)現(xiàn)電主軸的專業(yè)化批量生產(chǎn)。