數(shù)控機床主軸歷史沿革

20世紀30年代以前，大多數(shù)機床的主軸采用單油楔的滑動軸承。隨著滾動軸承制造技術(shù)的提高，后來出現(xiàn)了多種主軸用的高精度、高剛度滾動軸承。這種軸承供應(yīng)方便，價格較低，摩擦系數(shù)小，潤滑方便，并能適應(yīng)轉(zhuǎn)速和載荷變動幅度較大的工作條件，因而得到廣泛的應(yīng)用。但是滑動軸承具有工作平穩(wěn)和抗振性好的優(yōu)點,特別是各種多油楔的動壓軸承，在一些精加工機床如磨床上用得很多。50年代以后出現(xiàn)的液體靜壓軸承，精度高，剛度高，摩擦系數(shù)小，又有良好的抗振性和平穩(wěn)性，但需要一套復(fù)雜的供油設(shè)備，所以只用在高精度機床和重型機床上。氣體軸承高速性能好,但由于承載能力小,而且供氣設(shè)備也復(fù)雜，主要用于高速內(nèi)圓磨床和少數(shù)超精密加工機床上。70年代初出現(xiàn)的電磁軸承，兼有高速性能好和承載能力較大的優(yōu)點，并能在切削過程中通過調(diào)整磁場使主軸作微量位移，以提高加工的尺寸精度，但成本較高，可用于超精密加工機床。

——電主軸所融合的技術(shù)

電主軸是最近幾年在數(shù)控機床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機床主軸與主軸電機融為一體的新技術(shù)，它與直線電機技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會把高速加工推向一個新時代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身及其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、內(nèi)置編碼器、自動換刀裝置。

電主軸所融合的技術(shù)：

高速軸承技術(shù)：電主軸通常采用復(fù)合陶瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時也采用電磁懸浮軸承或靜壓軸承，內(nèi)外圈不接觸，理論上壽命無限；

高速電機技術(shù)：電主軸是電動機與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電動機的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺高速電動機。關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動平衡；

潤滑：電主軸的潤滑一般采用定時定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時，就是每隔一定的時間間隔注一次油。所謂定量，就是通過一個叫定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入陶瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時會因油的阻力而發(fā)熱。

冷卻裝置：為了盡快給高速運行的電主軸散熱，通常對電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度。

內(nèi)置脈沖編碼器：為了實現(xiàn)自動換刀以及剛性攻螺紋，電主軸內(nèi)置一脈沖編碼器，以實現(xiàn)準確的相角控制以及與進給的配合。

自動換刀裝置：為了應(yīng)用于加工中心，電主軸配備了自動換刀裝置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高速刀具的裝卡方式：廣為熟悉的BT、ISO刀具，已被實踐證明不適合于高速加工。這種情況下出現(xiàn)了HSK、SKI、ER等高速刀具。

高頻變頻裝置：要實現(xiàn)電主軸每分鐘幾萬甚至十幾萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速，必須用一高頻變頻裝置來驅(qū)動電主軸的內(nèi)置高速電動機，變頻器的輸出頻率必須達到上千或幾千赫茲。

通常由主軸、軸承和傳動件（齒輪或帶輪）等組成主軸部件。在機器中主要用來支撐傳動零件如齒輪、帶輪，傳遞運動及扭矩，如機床主軸；有的用來裝夾工件，如心軸。除了刨床、拉床等主運動為直線運動的機床外，大多數(shù)機床都有主軸部件。主軸部件的運動精度和結(jié)構(gòu)剛度是決定加工質(zhì)量和切削效率的重要因素。衡量主軸部件性能的指標主要是旋轉(zhuǎn)精度、剛度和速度適應(yīng)性。①旋轉(zhuǎn)精度：主軸旋轉(zhuǎn)時在影響加工精度的方向上出現(xiàn)的徑向和軸向跳動（見形位公差），主要決定于主軸和軸承的制造和裝配質(zhì)量。②動、靜剛度：主要決定于主軸的彎曲剛度、軸承的剛度和阻尼。③速度適應(yīng)性：允許的最高轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速范圍，主要決定于軸承的結(jié)構(gòu)和潤滑，以及散熱條件。

數(shù)控機床主軸無級變速

數(shù)控機床一般采用直流或交流主軸伺服電動機實現(xiàn)主軸無級變速。

交流主軸電動機及交流變頻驅(qū)動裝置（籠型感應(yīng)交流電動機配置矢量變換變頻調(diào)速系統(tǒng)），由于沒有電刷，不產(chǎn)生火花，所以使用壽命長，且性能已達到直流驅(qū)動系統(tǒng)的水平，甚至在噪聲方面還有所降低。因此，目前應(yīng)用較為廣泛。

主軸傳遞的功率或轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。當機床處在連續(xù)運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，主軸的轉(zhuǎn)速在3000~100000r/min范圍內(nèi)，主軸傳遞電動機的全部功率11kW，為主軸的恒功率區(qū)域Ⅱ（實線）。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸的最大輸出扭矩（245N.m）隨著主軸轉(zhuǎn)速的增高而變小。主軸轉(zhuǎn)速在3000~100000r/min范圍內(nèi)，主軸的輸出轉(zhuǎn)矩不變，稱為主軸的恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域Ⅰ（實線）。在這個區(qū)域內(nèi)，主軸所能傳遞的功率隨著主軸轉(zhuǎn)速的降低而減小。電動機超載（允許超載30min）時，恒功率區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域。電動機的超載功率為15kW，超載的最大輸出轉(zhuǎn)矩為334N.m。

數(shù)控機床主軸分段無級變速

數(shù)控機床在實際生產(chǎn)中，并不需要在整個變速范圍內(nèi)均為恒功率。一般要求在中、高速段為恒功率傳動，在低速段為恒轉(zhuǎn)矩傳動。為了確保數(shù)控機床主軸低速時有較大的轉(zhuǎn)矩和主軸的變速范圍盡可能大，有的數(shù)控機床在交流或直流電動機無級變速的基礎(chǔ)上配以齒輪變速，使之成為分段無級變速。

降低軸承的工作溫度，經(jīng)常采用的辦法是潤滑油。潤滑方式有，油氣潤滑方式、油液循環(huán)潤滑兩種。在使用這兩種方式時要注意以下幾點：

1、在采用油液循環(huán)潤滑時，要保證主軸恒溫油箱的油量足夠充分。

2、油氣潤滑方式剛好和油液循環(huán)潤滑相反，它只要填充軸承空間容量的百分之十即可。

循環(huán)式潤滑的優(yōu)點是，在滿足潤滑的情況下，能夠減少摩擦發(fā)熱，而且能夠把主軸組件的一部分熱量給以吸收。

對于主軸的潤滑同樣有兩種放式：油霧潤滑方式和噴注潤滑方式。