高速加工不但可以成倍地提高生产效率，还可进一步改善零件的加工精度和表面质量，解决一些常规加工中难以解决的某些特殊材料的高效加工问题，因此，高速加工在世界上引起了高度重视。
图1 主轴单元式结构
1 高速加工对机床主轴的要求
高速加工对机床主轴系统不仅要求转速高，输出的扭矩和功率要大，还要求具有较高的主轴回转精度和在高速运转中保持具有良好的刚度、抗震性及热稳定性。目前，国际上工业发达国家生产的高速加工中心主轴最高转速高达20,000～100,000r/min，国内中小型加工中心、数控铣床的主轴最高转速也达4000～6000r/min。实际应用中主要有两类高速主轴：一类是具有零传动的高速电主轴，这类主轴因采用电机和机床主轴一体化的结构，并经过精确的动平衡校正，因此具有良好的回转精度和稳定性，但对输出的扭矩和功率有所限制；另一类是以变频主轴电机与机械变速机构相结合的主轴，这类主轴输出的扭矩和功率要大得多，但相对来说回转精度和平稳性要差一点，因此对于这类主轴来说，如何正确地设计机床主轴及其组件对机床加工精度的影响是至关重要的。
2 主轴组件的结构设计
2.1主轴单元式结构
高速加工中心和数控铣床大多采用单元式主轴结构，将主轴前后轴承在恒温环境下进行配磨，配磨好后装入一个圆套筒内，然后在总装时以一个完整的单元装入机床主轴箱内，这样不仅保证了机床主轴组件的装配精度，而且又易于安装和维修调整，如图1所示。
图2 角接触轴承成组组配
2.2主轴轴承
1)主轴轴承的选择：鉴于加工中心和高速数控铣床的大负荷、高转速和高精密的要求，普通的主轴双联轴承结构已满足不了要求现在对于高速加工中心和数控铣床，大多采用角接触轴承组合设计。因为角接触轴承可以同时承受径向和一个方向的轴向载荷，允许的极限转速较高。
如图2所示，采用两个角接触球轴承背靠背组配，使支承点A、B两点向外扩展，缩短了主轴头部的悬伸，大大地减少了主轴端部的挠曲变形，提高了主轴刚度。
2)主轴轴承的预紧：用普通螺母作主轴轴承轴向限位，通常难以保证螺母端面与轴心线有较高的垂直度(如图3a)，锁紧后易使轴承偏斜，甚至有可能使轴弯曲(如图3b)，这都将影响轴的旋转精度。
a) b)
图3 普通螺母锁紧时螺纹偏斜对轴承的影响
1、4、11.法兰盘 2、7.轴承 3、9.锁紧螺母 5、6.档圈
8.调整螺母 10.挡油盘 12.主轴
图4 主轴轴承锁紧、密封结构示意图
1.压缩空气管 2.活塞 3.双沟锁紧螺母 4.碟形弹簧 5.拉杆
6.主轴 7.主轴套筒 8.主轴内冷却环 9.刀具拉钉 10.挡油法兰
图5 KX714主轴结构
如图4a所示锁紧螺母3，在锁紧时不能保证端面与孔的垂直度，为了提高轴承的调整精度应改为如图4b中用挡圈5、6修磨调整，以便提高修磨精度。用两个分离型螺母8、9调整，或采用双沟槽锁紧螺母(见图5)加十字垫片和采用过盈套等锁紧方式。
3)主轴轴承的密封和润滑：由于高速机床主轴转速较高，转速达5000r/min以上时脂润滑已很难达到要求，而稀油润滑在高速运动中润滑油的多少明显地影响到主轴运行的平稳性。因此在目前的设计中多数采用集中定量定时油雾或滴油润滑方式。在高速加工中为了提高主轴轴承的寿命和确保轴承的旋转精度，必须采取严格的密封措施，然而密封效果较好的接触式密封又势必影响到主轴转速的提高，因此目前通用的有主轴吹气、迷宫密封等非接触式密封方式，对于要求不高的可以采用间隙密封，但必须准确地控制间隙的大小，一般是在0.02～0.04mm之间。
2.3主轴拉杆自动装刀系统
在加工中心和高速数控铣床中刀具安装势必采用自动装刀机构。由预紧弹簧控制轴向拉力，再由气压、液压或机械螺杆等执行机构实现松刀和夹刀动作的拉杆机构(如图5)。执行机构有与主轴一同旋转的随动单元，也有不随主轴旋转的分离型结构，前者结构比较紧凑，复杂程度高，后者结构简单，成本低，但占用空间较大。另外，为了提高刀具重复安装精度，减少刀具锥柄和主轴锥孔非正常接合，在自动装刀系统中必须设置主轴准停机构和用以清洁刀具锥柄、主轴锥面的吹气或喷液的机构。
2.4主轴水冷却系统
在高速旋转运动中轴承温升是造成主轴变形、加工精度下降的重要因素之一。大量的热能会造成主轴严重的热变形，不仅影响主轴回转精度，而且还会抑制主轴转速的提高，速度愈高这种现象愈明显。因此，如何改善机床主轴系统热特性，减少系统的热源强度，降低温升及减少系统的热位移，在高速主轴设计中就显得尤为重要。在主轴设计中除了正确地选择主轴组件，减少系统热源强度外，对主轴要进行水冷却，以降低温升和减少系统热位移。在主轴套筒外设计连续的水冷却环槽，让机床冷却液先流经主轴套筒上的冷却环槽，然后再喷出到刀具刀尖，用这种方式带走轴承产生的绝大部分热量，减少系统热能向机床主轴传导。对于有些要求较高的机床可将主轴水冷却和切削液分为两个不同的系统，当然这种结构只能应用到单元式主轴上。
3 设计示例
图5是XK714数控床身铣床的主轴结构设计，(主轴转速为50～4200r/min)。由于该主轴较长，所以采用两个主支承加一个辅助支承的结构。前、中支承采用两组背靠背组配的高速精密角接触球轴承，以提高承载能力，轴承的预紧力在轴承厂已成对配磨好，属通用组配型。后支承采用两个轻系列深沟球轴承，轴承外圈浮动，保留游隙，防止轴向干涉。主轴端部采用间隙密封与甩油槽相结合的密封和防尘技术。机床主轴拉杆由碟形弹簧控制刀具安装的轴向拉力，由气动机构执行松刀、夹刀动作，拉杆和活塞杆内有直径f4的通孔，用以换刀时对主轴锥孔和刀具锥柄吹气清洁。整个主轴设计成单元式结构，在主轴套筒外设有水冷却环，用以降低主轴温升。
