高性能機(jī)床主軸概述
　　
　　 機(jī)床主軸是機(jī)床的核心部件，其功能是帶動(dòng)刀具（砂輪）或工件旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高速精密加工。隨著現(xiàn)代工業(yè)對機(jī)床加工精度和加工效率要求的不斷提高，機(jī)床對主軸性能的要求也越來越高，傳統(tǒng)的高速主軸概念已難以充分描述機(jī)床主軸的技術(shù)內(nèi)涵。
　　
　　 高性能機(jī)床主軸是指在滿足加工精度和加工效率的前提下，速度、精度、剛度、功率、轉(zhuǎn)矩匹配特性好，可靠性高，性能價(jià)格比高的機(jī)床主軸。
　　
　　 機(jī)床主軸按所采用的軸承類型可分為滾動(dòng)軸承（角接觸球軸承、滾子軸承）、液體滑動(dòng)軸承（動(dòng)壓軸承、靜壓軸承、動(dòng)靜壓軸承）、氣體軸承和磁懸浮軸承等，按照與電動(dòng)機(jī)的連接方式可分為機(jī)械主軸和電主軸。
　　
　　 電主軸是將機(jī)床主軸功能與電動(dòng)機(jī)功能從結(jié)構(gòu)上融為一體的新型主軸部件，它省去了皮帶傳動(dòng)或齒輪傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有速度高、精度高、調(diào)速范圍寬、振動(dòng)噪聲小、可快速起動(dòng)和準(zhǔn)停等優(yōu)點(diǎn)。用電主軸取代傳統(tǒng)機(jī)械主軸是機(jī)床工業(yè)發(fā)展的大趨勢。
　　
　　 電主軸按照電動(dòng)機(jī)的類型又可分為異步型電主軸和永磁同步型電主軸。
　　
　　 從機(jī)床行業(yè)的客觀需求來看，角接觸球軸承電主軸、液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸和氣體軸承電主軸既是市場開發(fā)的重點(diǎn)，也是學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)。角接觸球軸承是最適宜高速化的滾動(dòng)軸承，具有摩擦阻力小、功耗小、成本低、便于系列化和標(biāo)準(zhǔn)化等優(yōu)點(diǎn)，其極限轉(zhuǎn)速高、精度高、剛度高，在加工中心、數(shù)控銑床、車床、內(nèi)圓磨床和高速雕銑機(jī)中獲得了廣泛應(yīng)用，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于提高精度壽命和可靠性。液體（動(dòng)）靜壓主軸以液態(tài)“油膜”作為支撐，具有顯著的“誤差均化效應(yīng)”和阻尼減振性，回轉(zhuǎn)精度遠(yuǎn)高于滾動(dòng)軸承式主軸，其剛度高，磨損小，壽命長，在精密超精密機(jī)床上獲得了廣泛應(yīng)用，其主要技術(shù)難點(diǎn)在于控制高速時(shí)主軸的溫升和熱變形。氣體軸承電主軸以“氣膜”作為支撐，回轉(zhuǎn)精度和極限轉(zhuǎn)速高于液體（動(dòng)）靜壓電主軸和滾動(dòng)軸承式電主軸，其熱穩(wěn)定性好，是超精密機(jī)床和印刷電路板（PCD）鉆床不可或缺的核心部件，其不足之處在于承載能力低，工藝要求高。
　　
　　 磁懸浮軸承也是一類重要的主軸支撐方式，極限轉(zhuǎn)速高，運(yùn)轉(zhuǎn)過程中無磨損，其技術(shù)難點(diǎn)在于如何提高動(dòng)剛度和阻尼減振性能，在實(shí)現(xiàn)高速的同時(shí)保證高加工精度。磁懸浮主軸的核心研究內(nèi)容是機(jī)械系統(tǒng)特性和電磁特性的控制問題。
　　
　　 高性能機(jī)床主軸的技術(shù)現(xiàn)狀
　　
　　 1.角接觸球軸承電主軸領(lǐng)域
　　
　　 國內(nèi)現(xiàn)有水平：在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面，洛陽軸承研究所開發(fā)了油氣潤滑型加工中心電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)22kW、24000r/min；湖南大學(xué)研制的永磁同步型加工中心電主軸，額定功率35kW，最高轉(zhuǎn)速18000r/min，徑向圓跳動(dòng)1.5μm，動(dòng)平衡精度G0.4，配備HSK－A63刀柄，采用油氣潤滑和強(qiáng)制水冷方式。沈陽建筑大學(xué)開發(fā)高速大功率陶瓷球軸承電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，功率達(dá)20kW；研制開發(fā)的無內(nèi)圈式全陶瓷電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30000r/min，最大功率達(dá)到15kW，回轉(zhuǎn)精度≤±1μm。在磨用電主軸方面，洛陽軸承研究所主軸產(chǎn)品Dmn值達(dá)到170～200萬mm·r/min；軸承套圈磨用電主軸最大功率為達(dá)32kW（S6～60%），最高轉(zhuǎn)速為120000r/min；高鐵軌道板磨用電主軸達(dá)150kW（S1～100%），最高轉(zhuǎn)速2000r/min；工作壽命普遍在1500～2000h。
　　
　　 國際先進(jìn)技術(shù)水平：在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面，國際上油脂潤滑型加工中心用電主軸最高轉(zhuǎn)速為60000r/min，油氣潤滑型數(shù)控銑最高轉(zhuǎn)速為140000r/min，而大功率電主軸的功率可達(dá)80kW，轉(zhuǎn)速為10000r/min，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)380N·m。在磨用電主軸方面，國際主軸產(chǎn)品的軸承Dmn值高達(dá)240萬mm·r/min，選用油氣潤滑方式，輸出功率普遍比上一代產(chǎn)品增加50%左右，其工作壽命亦普遍增長50%左右。
　　
　　 國家數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)：①額定功率和最高轉(zhuǎn)速為50kW、20000r/min（另兩款為30kW、30000r/min和10kW、40000r/min）。②具有軸承動(dòng)態(tài)預(yù)緊調(diào)整功能。③平均無故障運(yùn)行時(shí)間≥5000h。④主軸回轉(zhuǎn)精度＜1.0μm。⑤軸系統(tǒng)剛度≥300N·μm。⑥動(dòng)平衡精度G0.4級。⑦恒功率>14。⑧轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍0.04%以下。⑨C軸位置控制精度10″。⑩高分辨率編碼器接口最大可支持17位編碼器（131072脈沖/r）。11.具有兩種現(xiàn)場總線接口。
　　
　　 2.液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸領(lǐng)域
　　
　　 國內(nèi)現(xiàn)有水平：上海原創(chuàng)精密機(jī)床主軸有限公司研制的液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到34kW、8500r/min，徑向跳動(dòng)1μm。東方精益公司生產(chǎn)的液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率/最高轉(zhuǎn)速達(dá)到17kW、8000r/min，徑向跳動(dòng)1μm，徑向剛度>500N·μm。湖南大學(xué)針對超高速外圓/凸輪軸磨床開發(fā)了電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)35kW、10000r/min，徑向圓跳動(dòng)1μm；同時(shí)還針對高速內(nèi)圓磨床，開發(fā)了12kW、30000r/min電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式液體動(dòng)靜壓電主軸。北京航空航天大學(xué)下屬的北京北航精密有限公司開發(fā)了系列（動(dòng)）靜壓主軸產(chǎn)品，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到7.5kW、48000r/min，回轉(zhuǎn)精度能達(dá)到0.5μm以內(nèi)。在內(nèi)圓磨（動(dòng)）靜壓主軸方面，國內(nèi)已生產(chǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)20000r/min，主軸直徑28mm的主軸產(chǎn)品。目前國內(nèi)液體（動(dòng)）靜壓主軸的回轉(zhuǎn)精度最高能達(dá)到0.1μm。
　　
　　 國際先進(jìn)水平：德國HYPOSTATIK公司開發(fā)的外圓磨電主軸，最高工作轉(zhuǎn)速為7600r/min，功率為50kW，砂輪徑向剛度>320N·μm；凸輪磨凹面磨削主軸，轉(zhuǎn)速25000/35000r/min，砂輪徑向剛度為120/60N·μm；銑削靜壓電主軸，最高工作轉(zhuǎn)速為42000r/min，功率為15kW，軸承剛度為200/160N·μm。英國CranfieldPrecision公司開發(fā)的液體靜壓主軸最高轉(zhuǎn)速為15000r/min，供油壓力為3.5MPa，徑向/軸向剛度為200/440N·μm，回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.1μm。