1 主轴是机床的心脏
主轴在不同的速度下提供切削所需的动力，切除毛坯上多余的材料并满足加工精度的要求，是决定机床性能的关键部件。传统机床主轴的驱动方式是电动机轴线和主轴的轴线平行，电动机通过皮带、联轴节或齿轮间接地驱动主轴，如图1所示。
图1 主轴的传统驱动方式
间接驱动方式给机床设计带来许多方便：首先是切削时产生轴向和径向力由主轴承受，电动机和传动系统仅提供旋转力矩和转速，匹配和维护更换比较简单；其二是可借助齿轮和皮带轮改变传动比，实现速度调节；最后是主轴后端没有电动机的阻挡，便于安装送料机构或刀具夹紧机构等。
随着高速加工的普及，机床主轴的转速越来越高，传统的主轴驱动方式开始不能满足高速数控机床的要求。例如，当主轴转速提高到一定水平后，传动皮带开始受离心力的作用而膨胀，传动效率下降。再如，高速运转时齿轮箱发热、振动和噪音等问题也开始变得严重。
电主轴的出现从根本上突破了主轴驱动方式的局限。电主轴是将电动机的转子和主轴集成为一个整体。中空的、直径较大的转子轴同时也是机床的主轴，它有足够的空间容纳刀具夹紧机构或送料机构，成为一种结构复杂、功能集成的机电一体化的功能部件。典型的电主轴结构如图2所示。
图2 典型电主轴的结构
2 主轴的特性和设计原则
如何设计和选用高性能的主轴部件已经成为高端数控机床开发的关键和瓶颈。本文就主轴的主要特性和设计原则作简要的阐述。
2.1 主轴的特性
决定主轴性能和技术水平的特性有10项：①速度；②功率和扭矩；③驱动方式；④轴承；⑤刚度；⑥刀具接口；⑦径向和端面跳动；⑧动平衡和振动；⑨发热和冷却；⑩智能化。
没有一种主轴结构可以满足不同加工情况的要求。主轴的结构与应用领域、机床类型、加工工艺、刀具、零件的材料和加工精度都有密切的关系，需要仔细加以分析。
例如，在模具行业，高速加工主要是采用小直径的铣刀铣削复杂的形状表面，主轴的转数高、但切削力不大。而在航空工业，高速加工主要是将铝块在最短时间内加工成飞机结构件，切除90％以上的材料，就需要高转速、大功率的主轴。此外，钛合金的加工和铝合金的加工对主轴部件也完全不同，钛合金加工需要低速大扭矩。从而可见，同样是高速加工，或者在同一工业部门，对机床主轴部件的要求可能完全不一样。应用于不同工业领域的典型机床主轴功率和转速特性如图3所示。
图3 主轴的功率和转速特性
主轴的静态和动态特性对机床整机性能和零件加工精度有直接的影响。主轴部件是一个复杂的结构系统，包括轴承和箱体（壳体），以及刀柄和刀具，电主轴还包括电动机。主轴的静态刚度、动态刚度和阻尼以及热特性的例子如图4所示。
图4 主轴的静态、动态和热特性nextpage
2.2 主轴轴承
轴承对主轴性能有重要的影响，是主轴部件效率和精度的关键，它决定了主轴的旋转速度、承载能力和寿命。在机床中应用的轴承类型主要有5种：
（1）滚动轴承。包括滚珠和滚柱轴承，由于其综合性能优越，应用最为广泛。在高速旋转的情况下，采用陶瓷滚珠或滚柱，以减轻惯性力的影响。
（2）磁浮轴承。借助电磁力将主轴浮起，除前后轴承外，还需要轴向轴承，才能保证主轴工作。优点是没有任何摩擦，缺点是复杂和昂贵。
（3）静压轴承。借助轴承缝隙内的高压油保持主轴的平衡，承载能力大，摩擦小，在低速旋转时有明显优势。
（4）动压轴承。借助主轴转动时在油隙中形成的浮力来支撑主轴，由于在低速和停止时浮力下降或消失，主要用于高速旋转和转速基本恒定的磨床主轴。
（5）空气轴承。其工作原理与静压轴承相似，摩擦小、发热小、结构简单及寿命长等一系列优点，但承载能力低，主要用于内圆磨头和超精密机床。
在高端数控机床中，广泛采用电主轴，以实现多轴、复合、高速和高效加工。电主轴在切削工件时要承受高转速和高负载，主要采用滚动轴承。此外，在机械结构上，电主轴的内孔直径必须足够大，才能容纳诸如刀具夹紧等机构，而其外径却受空间和重量的限制。因此，可供安放轴承的空间非常有限。通常采取的方法是，在主轴前后端分别配置一组轻型角接触陶瓷滚珠轴承并施加一定预载荷，有3种不同方案，如图5所示。
图5 电主轴轴承的配置方案
2.3 润滑和冷却
电主轴的转速大多在10 000 r/min以上，主轴滚珠轴承的润滑必须可靠。在dn系数（直径转数积）小于850 000时，一次性润滑脂润滑是经济、简单和环保的理想方案。但在高转速时，采用油—气润滑才能满足要求，由外部润滑油泵和混合器，通过轴承外环油孔向轴承滚珠喷射微量油—气混合物，以润滑、清洁和冷却轴承。
油—气的混合方法对润滑效果影响很大。过量的油导致发热增加，供油不足造成磨损加剧。在油雾、油—气、油滴和脉冲油—气几种方案中，以脉冲油—气较为理想，它能根据主轴工况周期地供给少量的润滑油，如图6所示。
图6 电主轴的脉冲润滑原理
电主轴的不仅要考虑轴承的发热，更加严重的是定子和转子的线圈也是密封在壳体内，无法自然散热，是主要的热源。采取的办法是强制气冷或水冷，以水冷的效果较好，如图6中绿色通道所示。但如何在已经非常狭窄的空间中安排冷却水通道，同时保证通道的密封，避免冷却水进入电动机绕组线圈，是电主轴设计的一个棘手问题。
2.4 智能化
电主轴作为一种机电一体化系统，机床的核心部件，越来越多地集成各种传感器和软件，对其工作状态的进行监控、预警、可视化和补偿。尽管电主轴已经采取冷却措施减少热变形，但主轴仍然在工作时会由于温度变化产生Z轴向的微小位移。此外，主轴在高速旋转时由于惯性力的影响，也会产生微小的位移。对亚微米级或纳米级的精密加工来说，这些微小位移也是可观的，必须加以补偿。具有轴向位移补偿的电主轴的工作原理如图7所示。
图7 具有轴向位移补偿的电主轴
从图中可见，在电主轴的壳体端面位置安装了轴向位移传感器，可以检测出由温升引起的热变形位移Δ热和机械力造成的动态轴向位移Δ惯性之和的总位移，经过数据处理后，输入数控系统，使机床工作台增加或减少相应的位移，从而实现总误差的补偿，以提高机床的工作精度。nextpage
3 具有数控回转轴的主轴头
电主轴与力矩电动机或其他机构集成在一起、在提供切削动力的同时实现2个或3个数控回转轴是配置多轴加工机床的主要途径。实现数控回转轴的方案有4种，如图8所示。
图8 具有数控回转轴的铣头
（1）AC轴摆叉式主轴头。电主轴安装在摆叉中间，由两侧的力矩电动机驱动，实现C轴回转，摆叉顶部通过齿形盘与力矩电动机的连接，实现A轴回转。轴向尺寸大，主要用于龙门铣床等大型机床。
（2）ABC轴摆叉式主轴头。摆叉壳体上有弧形导轨，可以实现B轴±15°的偏转，用于加工深凹槽零件的大型龙门铣床。
（3）Z3型主轴头。电主轴安装在3杆并联机构的运动平台上，实现B轴和C轴±45°的偏转，用于加工飞机结构件的大型铣床。
（4）万向角度铣头。电主轴的轴线与回转轴成45°，结构紧凑，可用于卧式加工中心。
4 电主轴的创新案例
4.1 Step-Tec电主轴
瑞士GFAC集团旗下的Step-Tec公司是专业的电主轴制造厂家，在电主轴智能化领域处于领先地位，其intelliSTEP智能化系统可以控制和优化电主轴的工况，例如，主轴端轴向位移、温度、振动、刀具拉杆位置等，如图9所示。
图9 Step-Tec的智能化主轴
主轴工况诊断和振动控制Vibroset 3D是智能化、数字化主轴的核心，由三维振动测量V3D传感器、RFID工况记录和优化模块SMD20和工况分析软件SDS组成。机床用户不仅可以在屏幕上观测到主轴的工况，还可以通过Profibus和互联网与机床制造商保持联系，诊断机床主轴的当前的和历史的运行状态。
Vibroset 3D的原理是在电主轴壳体中前轴承附近安装了一个加速度传感器，新开发的、基于MEMS技术的三维加速度计可记录所有3个轴（X，Y，Z）的加速度值，最高可达±50 mm/s2，从而能更有针对性地改进加工过程。所有的故障事件，特别是在碰撞时，可以再现主轴的工况，以便进行分析，找出失败的原因。它是机床主轴的“黑匣子”。通过数据接口RS485将黑匣子与计算机连接，借助SDS分析软件就可以找出故障的原因。
在机床使用过程中，铣削产生的振动可以加速度“g载荷”值的形式显示。振动大小在0～10 g范围内分为10级，0～3 g反映加工过程、刀具和刀夹都处于良好状态，3～7 g警示加工过程需要调整，否则将导致主轴和刀具的寿命的降低，7～10 g表示加工过程处于危险状态，如果继续工作，将造成主轴、机床、刀具或工件的损坏。该系统还可预测在当前振动级的工况下主轴部件可以工作多长时间，即主轴寿命还有多长。
在Vibroset 3D过程监控系统中也可由用户设定一个g极限值，当振动超过此值时，系统报警和自动停机。系统也可以将某一时段的振动记录下来以便进一步分析。记录的数据包括：日期、时间、g值、g极限、主轴转速、刀具号、进给率、数控程序块号和程序名。可记录程序块的容量为18 000，如果取时间间隔为2.5 s，可记录加工过程状态长达12.5 h。
4.2 Fisher 电主轴
瑞士Fischer公司是著名的电主轴生产厂家，为航空工业、汽车工业和模具工业的机床配套各种电主轴系统，提供从变频器、冷却系统、润滑系统到智能监控系统优化匹配的全面解决方案。Fischer主轴的主要特点有以下3方面：
（1）主轴轴心冷却系统。明显减少主轴的热膨胀，使电动机的输出功率增加，保持主轴的热稳定性，延长主轴的使用寿命。Fischer主轴的整个冷却系统的设计如图10所示。
图10 Fischer主轴的冷却设计
（2）除采用油气润滑的滚珠轴承外，Fischer公司还提供一种采用静压技术的Hydro－F电主轴，利用纯水作为工作介质，同时执行支承、冷却和刀具夹紧功能。Hydro－F静压轴承可以大幅度提高主轴的刚度和阻尼性能（比滚动轴承大10倍），大幅度提高加工表面的质量并延长主轴和刀具的寿命。
（3）Fischer公司提供SmartVision软件和硬件，可对主轴工况进行监控和诊断，以避免主轴过早出现故障，并可事先估计给主轴的剩余使用寿命，以便将主轴的性能发挥到极致。SmartVision监控和诊断的数据包括：①主轴转速；②使用功率；③刀具更换次数；④主轴温度；⑤振动大小。
5 趋势和展望
主轴是机床的心脏，它的性能对机床整机的性能、生产率和加工精度有决定性的影响。装有刀具的主轴又往往是机床刚度薄弱环节和激振源。
本文的愿景是为机床设计师提供分析主轴部件的思路，从创新的主轴部件案例中获得启迪。帮助设计师进行主轴的优化设计和正确选用，迎接面临的挑战。主轴结构设计的发展趋势是：
（1）从电动机和机械两个方面着手，使主轴在给定的有限空间内提供尽可能大的功率和扭矩以及较大的变速范围，不断提高电－机转换效率，减少热量的产生。
（2）轴承是旋转体与固定体的中介体，是保证主轴回转精度的元件，也是摩擦和发热的源头。从结构、材料、制造工艺和润滑方式着手，减少摩擦和磨损，不断提高传动效率、dn系数和使用寿命。
（3）主轴的智能化是“聪明”机床的基础，随着微机电器件和通信技术的发展，越来越引起人们的注意，如何使主轴能够随时感知工况并且自主加以调节是新一代主轴的重要特征。
