主轴系统是机床的重要部件。对于高速、精密的数控车铣中心来说，主轴系统就更加重要。国际数控车铣中心的最新发展趋势是主轴系统普遍采用内藏式主电机(built—in motor)，电机定子安装在主轴箱体的孔中，机床主轴与电机转子连成一体，电机转子回转就带动机床主轴旋转，省去了机械传动环节，无正反向回转的机械传动间隙。主轴既可高速回转，又可任意分度定位铣削、钻削，实现c轴功能。内藏式电主轴系统的应用将会越来越广泛。

　　由于机床主轴与电机转子连成一体，电机在运转过程中产生的热量将直接传到主轴和主轴箱体，如果不控制主轴的温升，将影响主轴系统的热变形和加工精度。本文就电主轴系统影响机床主轴温升的因素进行分析并加以解决。

　　对于数控车铣中心的电主轴系统来说，电机的转子是用压配合的方法安装在机床主轴上，处于前后轴承之间，由压配合产生的摩擦力来传递主轴扭矩。由于转子内孔与主轴配合面之间有很大的过盈量，因此装配时采用的是一种特殊的装配方法。电机的定子通过一冷却套固定在主轴箱体孔内，这样就形成一个新型的主轴系统——电主轴系统。在电主轴的后部装有速度和位置反馈装置，实现主轴回转的全闭环控制。

　　南京数控机床有限公司生产的CKHl450系列数控车铣中心的电主轴结构如图1所示。

图1 电主轴结构

1 影响电主轴系统温升的因素

　　a．主轴前后轴颈各装有一组向心推力球轴承，主轴旋转精度由轴承精度、主轴精度、电机转子三者的合理配合来保证。角接触球轴承必须有轴向预加载荷才能进行正常工作，预加载荷不仅可以消除轴承的轴向游隙，还可以提高轴承的刚度和主轴的旋转精度，抑制振动和钢球自转时的打滑现象。一般情况下，预加载荷越大，提高轴承的刚度、主轴的旋转精度的效果就越好；但另一方面，由于轴承克服摩擦所作的功大部分转化成热，轴承的温升就越高，电主轴系统温度就会提高，甚至可能造成轴承的烧伤。

　　b．滚动轴承在高速旋转时，正确的润滑极为重要，润滑条件不好，将会造成轴承过热，引起电主轴系统温度的升高。

　　c．由于电主轴系统是将主轴与电机转子连成一体，电机通电工作后产生的热量将直接传到主轴和主轴箱体，这是造成电主轴系统温升的主要原因。

　　d．主轴轴系零件的正确配合与否对主轴系统温升也有一定影响，如轴承内外圈与主轴和主轴箱体的配合、主轴箱体前后轴承孔的同轴度等，误差过大也会引起轴承的异常发热。针对以上情况，必须采取相应措施，以控制电主轴系统的温升。

2 控制电主轴系统温升的措施

　　a．合理选择角接触球轴承的预加载荷。

根据机床电主轴系统要求的转速范围和负载情况来选择最佳的预加载荷值。一般情况下采取理论计算与工艺试验相结合，在保证主轴精度和温升的条件下确定合理的预加载荷量，效果比较理想。

　　b．保证轴承副良好的润滑条件。

　　由于轴承摩擦是热量的主要来源，所以合理的润滑是控制主轴系统温升的有效措施之一。主轴轴承的润滑剂分为润滑脂和润滑油两种，正确的润滑油量对控制主轴系统的温升非常关键。

　　(1)润滑脂对轴承温升的影响。

　　润滑脂易于保持在轴承中，还能起防潮、防尘作用。采用适量、优质润滑脂能适应相对较高的转速，也能满足机床的使用周期，无需后续补充，且大多为终身润滑。一般情况下润滑脂的填充量不应超过轴承空间的30％，合理的填充量用下式计算：

　　对于脂润滑的轴承，在主轴组装配好之后要进行合理的跑合试验，以达到稳定的温升。

　　(2)润滑油对轴承温升的影响。

　　润滑油的油量和品质对降低主轴轴承摩擦损耗和温升起主要作用。主轴轴承的油润滑一般采用循环供油。其摩擦损失P、轴承温度f和润滑油量v的关系如图2所示。

图2润滑油量、摩擦损失与温升的关系

　　图中A区显示用油量不足，不能形成足够的将相对运动完全分开的油膜，造成的磨损和温升使轴承很容易损坏。

　　B区说明滚子和滚道之间已形成足够的油膜刚度和润滑层，这时的摩擦和温升都很小，为最佳状态。如果继续增加油量，则进入c区，这时P和V都将显著增加。

　　再增加油量，则进入D区，这时摩擦所产生的热量和润滑油所带走的热量基本达到了平衡。若继续增加油量，则进入E区，此时轴承摩擦所产生的热量大部分被润滑油带走。比较上述脂润滑和油润滑，脂润滑和少量的油润滑可以达到图2中B区的效果，而要达到图2中E区的效果，则要加入大量的润滑油，但因油润滑设备复杂，价格昂贵，一般不予采用。因此，目前数控机床主轴设计多采用脂(具有良好品质的锂基油脂)润滑形式，控制好润滑脂的量就可以达到抑制主轴温升的效果。

　　c．用循环冷却水冷却电机定子的外套。

　　图l中的电动机的定子4通过一个冷却套2固定在电主轴的主轴箱体1上，这个冷却套外圆有螺旋型的冷却水循环通道。冷却水由主轴箱前端的冷却水进水口3进入电主轴的冷却套，经循环从主轴箱后端的冷却水出水口6流出，实施对电主轴温度的控制。在机床外有一套水温控制系统，该系统使用水作为冷却介质。冷却介质设定控制温度为20℃～23℃。当水温超过23℃或低于20℃时，水温控制机会自动进行制冷或加热。冷却水流量大于80L／min，最大工作压力0.7MPa。这样高速运转的主轴电机所产生的热传递到冷却套上时立刻由其外圆螺旋槽中的大流量冷却液带走，保证电主轴系统的温升在要求范围内。

　　d．控制与前后轴承配合的零件的精度。

　　主轴箱体、主轴等配合零件的尺寸精度、形位公差及粗糙度等必须满足设计和工艺要求，必要时进行配磨控制，确保所需的配合精度。主轴组的动平衡也必须达到规定的平衡等级，以尽量减少由于零件制造误差而引起的主轴系统的温升。

　　e．主轴箱采用热对称结构设计。

　　主轴箱采用热对称结构，散热性能好，热变形小，能很快地将残留在主轴箱体热量散发掉；同时主轴受热后轴线不发生偏移，既可保证主轴系统的温升在控制的范围内，又可保证主轴系统有较高的精度。

　　通过以上分析，在数控车铣中心电主轴系统的制造、安装过程中，只要合理地解决轴承预加载荷、轴承润滑、电主轴冷却、轴系零件的加工及主轴箱散热等设计问题，就可以有效地控制电主轴系统的温升对主轴系统精度的影响，从而更好地保证机床的精度。通过实际使用，南京数控机床有限公司生产的CKHl450系列数控车铣中心所配的电主轴系统在主轴温升、精度和整机性能方面都满足用户的要求，为电主轴的进一步推广应用打下了基础。