數(shù)控金切機(jī)床的高速主軸系統(tǒng)，顧名思義是具有高回轉(zhuǎn)速度，但這并無嚴(yán)格的界限。對作為高速切削機(jī)床代表的加工中心和數(shù)控銑床而言，般是指轉(zhuǎn)速≥10,000r/min的主軸系統(tǒng)，并相應(yīng)具有高的角加(減)速度，以實(shí)現(xiàn)主軸的瞬時(shí)升降速與起停。為適應(yīng)制造業(yè)對機(jī)床加工精度愈來愈高的要求，高速切削主軸還應(yīng)有較高的回轉(zhuǎn)精度，通常要求主軸的徑向跳動(dòng)小于1或2μm，軸向竄動(dòng)小于1μm。此外，主軸也要有足夠的靜、動(dòng)剛度，以承受定的切削負(fù)荷和保持高的回轉(zhuǎn)精度。
  

  傳統(tǒng)的主軸系統(tǒng)包含皮帶、齒輪等中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，不僅轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，難于實(shí)現(xiàn)高的角加(減)速度，而且高速時(shí)也難于解決中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的振動(dòng)和噪聲。因此，現(xiàn)在的高速主軸系統(tǒng)大多是把電動(dòng)機(jī)與主軸“合二而”、將傳動(dòng)鏈縮短為零的電主軸單元，結(jié)構(gòu)上基本是把主電動(dòng)機(jī)置于主軸前后軸承之間。這樣的電主軸，軸向尺寸較短，結(jié)構(gòu)緊湊，主軸剛度高，出力較大。

  
  現(xiàn)在，也有少數(shù)高速輕切削銑床，使用將主電機(jī)置于主軸后軸承之后的電主軸。這種結(jié)構(gòu)的電主軸軸向尺寸長，但可改進(jìn)散熱條件。此外，某些主軸轉(zhuǎn)速在10000r/min至15000r/min的加工中心和銑床，不是采用電主軸而是通過薄膜式之類的聯(lián)軸節(jié)，將主電動(dòng)機(jī)與主軸直接連接，從而省去主軸冷卻系統(tǒng)。不過，此方式既增加了轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，影響角加(減)速度，而且兩者直連后的非直線性又會(huì)引起振動(dòng)(轉(zhuǎn)速愈高對直線性的調(diào)準(zhǔn)要求也愈高)，故不宜用于主軸轉(zhuǎn)速更高的機(jī)床。
  
  當(dāng)前的高速電主軸，幾乎都是內(nèi)置異步交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。異步型電主軸的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，制造工藝相對成熟和安裝方便，別是可以更大限度地減弱磁場，易于實(shí)現(xiàn)高速化。此種主軸電機(jī)也正在進(jìn)步改進(jìn)，比如日本三菱電機(jī)公司近開發(fā)出可減少電損耗和縮短定子長度的高速、高率內(nèi)置感應(yīng)主軸電動(dòng)機(jī)。
  
  近，外正研討在電主軸中內(nèi)置交流永磁同步電動(dòng)機(jī)的問題。與異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相比，永磁同步電動(dòng)機(jī)有如下優(yōu)點(diǎn)：用永磁材料制造的轉(zhuǎn)子在工作過程中不發(fā)熱，解決了目前內(nèi)置的異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱且難于充分冷卻的問題；功率密度大，工作率高，即可用較小的尺寸得到較大的功率和扭矩；低速性能好，易于實(shí)現(xiàn)精密控制等。然而，永磁同步電動(dòng)機(jī)也有其弱點(diǎn)，那就是功率容量有限，弱磁困難，不利于實(shí)現(xiàn)高速化。故迄今為止，只有個(gè)別機(jī)床公司有內(nèi)置永磁同步電動(dòng)機(jī)的電主軸在展會(huì)上亮相，而業(yè)化的電主軸制造廠尚沒有此種產(chǎn)品出售。有不少人認(rèn)為，對在弱磁場運(yùn)行的高轉(zhuǎn)速電主軸，似乎用異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)更為合適。
  
  高速主軸用的軸承
  
  數(shù)控金切機(jī)床高速主軸的性能，在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其潤滑。滾動(dòng)軸承由于剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)相對簡單，不僅是般切削機(jī)床主軸的，也受到高速切削機(jī)床的青睞。從高速性的角度看，滾動(dòng)軸承中角接觸球軸承，圓柱滾子軸承次之，圓錐滾子軸承差。
  

  角接觸球軸承的球(即滾珠)既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生離心力Fc和陀螺力矩Mg。隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力Fc和陀螺力矩Mg也會(huì)急劇加大，使軸承產(chǎn)生很大的接觸應(yīng)力，從而導(dǎo)致軸承摩擦加劇、溫升增高、精度下降和壽命縮短。因此，要提高這種軸承的高速性能，就應(yīng)想方設(shè)法抑制其Fc和Mg的增加。從角接觸球軸承Fc和Mg的計(jì)算公式得知，減少球材料的密度、球的直徑和球的接觸角都有利于減少Fc和Mg，所以現(xiàn)在高速主軸多使用接觸角為15°或20°的小球徑軸承?？墒?，球徑不能減小過多，基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，以免削弱軸承的剛度，更關(guān)鍵的還是要在球的材料上尋求改進(jìn)。

  
  與GCr15軸承鋼相比，氮化矽(Si3N4)陶瓷密度僅為它的41%，用氮化矽制作的球要輕得多，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)所產(chǎn)生的離心力和陀螺力矩也要小得多。與此同時(shí)，氮化矽陶瓷的彈性模量和硬度是軸承鋼的1.5倍和2.3倍，而熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的25%，這既可提高軸承的剛度和壽命，又使軸承的配合間隙在不同溫升條件下變化小，工作可靠，加之陶瓷耐高溫且不與金屬發(fā)生粘咬，顯然用氮化矽陶瓷制作球體更適合進(jìn)行高速回轉(zhuǎn)。實(shí)踐表明，陶瓷球角接觸球軸承與相應(yīng)的鋼球軸承相比速度能提高25%~35%，不過價(jià)格也要高些。
  
  外將內(nèi)外圈為鋼、滾動(dòng)體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼(比如FAG公司用氮化不銹鋼Crodinur30)代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈別是內(nèi)圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%，自然在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，因內(nèi)圈熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢會(huì)受到抑制。
  
  高速電主軸滾動(dòng)軸承的配置形式有多種，但比較典型的是前、后軸承呈“O”型布局的兩對角接觸球軸承。由于后軸承也是角接觸球軸承，一般要設(shè)置滾珠套以便讓后軸承能沿殼體軸向移動(dòng)，使得主軸受熱后可自由向后方膨脹。般說來，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷才能正常工作，預(yù)加負(fù)荷愈大，軸承的剛度愈高但溫升也愈大。比較簡單的辦法是，根據(jù)電主軸的轉(zhuǎn)速范圍和所要承受的負(fù)載，選定個(gè)的固定預(yù)加負(fù)荷值；更好的辦法則是預(yù)加負(fù)荷能隨主軸轉(zhuǎn)速改變而調(diào)整，在高轉(zhuǎn)速時(shí)減小預(yù)加負(fù)荷，在低轉(zhuǎn)速時(shí)增加預(yù)加負(fù)荷。