高速加工不但可以成倍地提高生產(chǎn)效率，還可進一步改善零件的加工精度和表面質(zhì)量，解決一些常規(guī)加工中難以解決的某些特殊材料的高效加工問題，因此，高速加工在世界上引起了高度重視。
1 高速加工對機床主軸的要求
高速加工對機床主軸系統(tǒng)不僅要求轉(zhuǎn)速高，輸出的扭矩和功率要大，還要求具有較高的主軸回轉(zhuǎn)精度和在高速運轉(zhuǎn)中保持具有良好的剛度、抗震性及熱穩(wěn)定性。目前，國際上工業(yè)發(fā)達國家生產(chǎn)的高速加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速高達20,000～100,000r/min，國內(nèi)中小型加工中心、數(shù)控銑床的主軸最高轉(zhuǎn)速也達4000～6000r/min。實際應(yīng)用中主要有兩類高速主軸：一類是具有零傳動的高速電主軸，這類主軸因采用電機和機床主軸一體化的結(jié)構(gòu)，并經(jīng)過精確的動平衡校正，因此具有良好的回轉(zhuǎn)精度和穩(wěn)定性，但對輸出的扭矩和功率有所限制；另一類是以變頻主軸電機與機械變速機構(gòu)相結(jié)合的主軸，這類主軸輸出的扭矩和功率要大得多，但相對來說回轉(zhuǎn)精度和平穩(wěn)性要差一點，因此對于這類主軸來說，如何正確地設(shè)計機床主軸及其組件對機床加工精度的影響是至關(guān)重要的。
2 主軸組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計
1) 主軸單元式結(jié)構(gòu) 高速加工中心和數(shù)控銑床大多采用單元式主軸結(jié)構(gòu)，將主軸前后軸承在恒溫環(huán)境下進行配磨，配磨好后裝入一個圓套筒內(nèi)，然后在總裝時以一個完整的單元裝入機床主軸箱內(nèi)，這樣不僅保證了機床主軸組件的裝配精度，而且又易于安裝和維修調(diào)整，如圖1所示。
圖1 主軸單元式結(jié)構(gòu)
2) 主軸軸承
主軸軸承的選擇：鑒于加工中心和高速數(shù)控銑床的大負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速和高精密的要求，普通的主軸雙聯(lián)軸承結(jié)構(gòu)已滿足不了要求現(xiàn)在對于高速加工中心和數(shù)控銑床，大多采用角接觸軸承組合設(shè)計。因為角接觸軸承可以同時承受徑向和一個方向的軸向載荷，允許的極限轉(zhuǎn)速較高。
如圖2所示，采用兩個角接觸球軸承背靠背組配，使支承點A、B兩點向外擴展，縮短了主軸頭部的懸伸，大大地減少了主軸端部的撓曲變形，提高了主軸剛度。
圖2 角接觸軸承成組組配
主軸軸承的預(yù)緊：用普通螺母作主軸軸承軸向限位，通常難以保證螺母端面與軸心線有較高的垂直度(如圖3a)，鎖緊后易使軸承偏斜，甚至有可能使軸彎曲(如圖3b)，這都將影響軸的旋轉(zhuǎn)精度。
a) b)
圖3 普通螺母鎖緊時螺紋偏斜對軸承的影響
如圖4a所示鎖緊螺母3，在鎖緊時不能保證端面與孔的垂直度，為了提高軸承的調(diào)整精度應(yīng)改為如圖4b中用擋圈5、6修磨調(diào)整，以便提高修磨精度。用兩個分離型螺母8、9調(diào)整，或采用雙溝槽鎖緊螺母(見圖5)加十字墊片和采用過盈套等鎖緊方式。
1、4、11.法蘭盤 2、7.軸承 3、9.鎖緊螺母 5、6.檔圈
8.調(diào)整螺母 10.擋油盤 12.主軸
圖4 主軸軸承鎖緊、密封結(jié)構(gòu)示意圖
1.壓縮空氣管 2.活塞 3.雙溝鎖緊螺母 4.碟形彈簧 5.拉桿
6.主軸 7.主軸套筒 8.主軸內(nèi)冷卻環(huán) 9.刀具拉釘 10.擋油法蘭
圖5 KX714主軸結(jié)構(gòu)
主軸軸承的密封和潤滑：由于高速機床主軸轉(zhuǎn)速較高，轉(zhuǎn)速達5000r/min以上時脂潤滑已很難達到要求，而稀油潤滑在高速運動中潤滑油的多少明顯地影響到主軸運行的平穩(wěn)性。因此在目前的設(shè)計中多數(shù)采用集中定量定時油霧或滴油潤滑方式。在高速加工中為了提高主軸軸承的壽命和確保軸承的旋轉(zhuǎn)精度，必須采取嚴(yán)格的密封措施，然而密封效果較好的接觸式密封又勢必影響到主軸轉(zhuǎn)速的提高，因此目前通用的有主軸吹氣、迷宮密封等非接觸式密封方式，對于要求不高的可以采用間隙密封，但必須準(zhǔn)確地控制間隙的大小，一般是在0.02～0.04mm之間。
3) 主軸拉桿自動裝刀系統(tǒng) 在加工中心和高速數(shù)控銑床中刀具安裝勢必采用自動裝刀機構(gòu)。由預(yù)緊彈簧控制軸向拉力，再由氣壓、液壓或機械螺桿等執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)松刀和夾刀動作的拉桿機構(gòu)(如圖5)。執(zhí)行機構(gòu)有與主軸一同旋轉(zhuǎn)的隨動單元，也有不隨主軸旋轉(zhuǎn)的分離型結(jié)構(gòu)，前者結(jié)構(gòu)比較緊湊，復(fù)雜程度高，后者結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但占用空間較大。另外，為了提高刀具重復(fù)安裝精度，減少刀具錐柄和主軸錐孔非正常接合，在自動裝刀系統(tǒng)中必須設(shè)置主軸準(zhǔn)停機構(gòu)和用以清潔刀具錐柄、主軸錐面的吹氣或噴液的機構(gòu)。
4) 主軸水冷卻系統(tǒng) 在高速旋轉(zhuǎn)運動中軸承溫升是造成主軸變形、加工精度下降的重要因素之一。大量的熱能會造成主軸嚴(yán)重的熱變形，不僅影響主軸回轉(zhuǎn)精度，而且還會抑制主軸轉(zhuǎn)速的提高，速度愈高這種現(xiàn)象愈明顯。因此，如何改善機床主軸系統(tǒng)熱特性，減少系統(tǒng)的熱源強度，降低溫升及減少系統(tǒng)的熱位移，在高速主軸設(shè)計中就顯得尤為重要。在主軸設(shè)計中除了正確地選擇主軸組件，減少系統(tǒng)熱源強度外，對主軸要進行水冷卻，以降低溫升和減少系統(tǒng)熱位移。在主軸套筒外設(shè)計連續(xù)的水冷卻環(huán)槽，讓機床冷卻液先流經(jīng)主軸套筒上的冷卻環(huán)槽，然后再噴出到刀具刀尖，用這種方式帶走軸承產(chǎn)生的絕大部分熱量，減少系統(tǒng)熱能向機床主軸傳導(dǎo)。對于有些要求較高的機床可將主軸水冷卻和切削液分為兩個不同的系統(tǒng)，當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)只能應(yīng)用到單元式主軸上。
3 設(shè)計示例
圖5是XK714數(shù)控床身銑床的主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計，(主軸轉(zhuǎn)速為50～4200r/min)。由于該主軸較長，所以采用兩個主支承加一個輔助支承的結(jié)構(gòu)。前、中支承采用兩組背靠背組配的高速精密角接觸球軸承，以提高承載能力，軸承的預(yù)緊力在軸承廠已成對配磨好，屬通用組配型。后支承采用兩個輕系列深溝球軸承，軸承外圈浮動，保留游隙，防止軸向干涉。主軸端部采用間隙密封與甩油槽相結(jié)合的密封和防塵技術(shù)。機床主軸拉桿由碟形彈簧控制刀具安裝的軸向拉力，由氣動機構(gòu)執(zhí)行松刀、夾刀動作，拉桿和活塞桿內(nèi)有直徑f4的通孔，用以換刀時對主軸錐孔和刀具錐柄吹氣清潔。整個主軸設(shè)計成單元式結(jié)構(gòu)，在主軸套筒外設(shè)有水冷卻環(huán)，用以降低主軸溫升。
