超高速磨床的總體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)大件要有很高的動(dòng)、靜剮度，通常采用有限元法進(jìn)行分析和優(yōu)化，機(jī)床的安全防護(hù)也很重要，但最關(guān)鍵的還是主軸系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)。
數(shù)控超高速非圓輪廓磨床介紹
高速主軸系統(tǒng)
1．超高速磨床磨削對(duì)高速主軸系統(tǒng)的要求
超高速數(shù)控磨削機(jī)床是實(shí)現(xiàn)超高速磨削加工的物質(zhì)基礎(chǔ)，而高速主軸又是超高速數(shù)控磨削機(jī)床的″核心″部件，它的性能直接決定了機(jī)床的超高速磨削加工性能，它不但要求較高的速度精度，而且要求連續(xù)輸出高的轉(zhuǎn)矩能力和非常寬的恒功率運(yùn)行范圍。
對(duì)于高速高精度主軸單元系統(tǒng)，應(yīng)該是剮性好，圊轉(zhuǎn)精度高，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)溫升小、穩(wěn)定性好、可靠，功耗低，壽命長(zhǎng)，同時(shí)，成本也應(yīng)適中。要滿(mǎn)足這些要求，主軸的制造及動(dòng)平衡、主軸的支撐（軸承）、主軸系統(tǒng)的潤(rùn)滑和冷卻、系統(tǒng)的剛性等是很重要的。高速圓轉(zhuǎn)的砂輪軸和砂輪一起，其動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響磨削質(zhì)量，除了砂輪和主軸系統(tǒng)預(yù)先要進(jìn)行嚴(yán)格的動(dòng)平衡外，還應(yīng)當(dāng)在機(jī)床進(jìn)行磨削的過(guò)程中實(shí)施連續(xù)的自動(dòng)平衡。此外，要充分重視超高速磨床砂輪與主軸連接的可靠性。
高速、高精度、大功率的電主軸是目前高速主軸系統(tǒng)。因此需要高速主軸系統(tǒng)具有：①大功率、高轉(zhuǎn)速和高精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)；②高剛性、離精度、高轉(zhuǎn)速、重負(fù)荷的軸承或支承件；③高速、高剛性、高精度的砂輪主軸和工件頭架主軸。
數(shù)控磨床的高速主軸系統(tǒng)，一般是指轉(zhuǎn)速》10000r/min的主軸系統(tǒng)，并栩應(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。高速主軸還應(yīng)有較高的回轉(zhuǎn)精度，通常要求主軸的徑向圓跳動(dòng)小于1或2um，軸向竄動(dòng)小于1um。此外，主軸也要有足夠的靜、動(dòng)雕度，以承受一定的磨削負(fù)荷和保持高的回轉(zhuǎn)精度。
電主軸具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、動(dòng)態(tài)特性好等優(yōu)點(diǎn)，并可改善機(jī)床的動(dòng)平衡，避免振動(dòng)、污染幫噪聲，它在超高速磨削機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。美國(guó)、德國(guó)、日本、瑞士，意大利等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，都在高速數(shù)控磨剖機(jī)床上廣泛采用了電主軸結(jié)構(gòu)。
2．高速電主輔績(jī)構(gòu)承工作原理
(1)電主轅結(jié)構(gòu)與類(lèi)型電主軸系統(tǒng)構(gòu)成如圖7瑚所示，主要由電主軸、變頻驅(qū)動(dòng)模塊、CNC控制系統(tǒng)、油氣潤(rùn)滑系統(tǒng)、恒溫強(qiáng)稍冷卻系統(tǒng)和高壓供氣系統(tǒng)等組成。
當(dāng)前韻高速電主軸，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)較簿單，制造工藝相對(duì)成熟和安裝方便，特別是可以更大限度地減弱磁場(chǎng)，易于實(shí)現(xiàn)高速化。
國(guó)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(wèn)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(guò)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(wèn)題；功率密度大，工作效率高，即可用較小的尺寸得到較大的功率和轉(zhuǎn)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，麗專(zhuān)韭化的電主轆制造廠(chǎng)尚沒(méi)有此種產(chǎn)品出售。有不少人認(rèn)為，對(duì)在弱磁場(chǎng)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。
(2)電主軸工作原理電主軸工作時(shí)，直接帶動(dòng)刃具高速旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高速切削。切削的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力由中部的電動(dòng)機(jī)定轉(zhuǎn)子提供。切削速度通過(guò)永磁電機(jī)的調(diào)速控制模塊改變變頻驅(qū)孝系統(tǒng)的供電頻率和供電電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。電主軸的高剛性主要由主軸本身的尉度、軸承剛度、主軸與軸承及軸承座之間的結(jié)合面剛度來(lái)保證。
電主軸的高精度主要由總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)精度、主軸精度、軸承精度、軸承定位環(huán)及軸承隔圈精度和軸系零件的裝配精度來(lái)保證。
為了有效控制軸承、主軸和電動(dòng)機(jī)的溫升，該電主軸配備有外循環(huán)的強(qiáng)制恒溫冷卻系統(tǒng)，可保證軸承和電動(dòng)機(jī)工作在允許的溫度條件之下。
目前主要采用羽嘲變頻調(diào)速技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電主軸的高速化，執(zhí)行此項(xiàng)任務(wù)的既有普通變頻調(diào)速器，又有矢量攘麓驅(qū)動(dòng)囂。前者為恒轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比；后者在低速端（額定轉(zhuǎn)速以下）為慎轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)，在中、高速端為恒功率驅(qū)動(dòng)。高速數(shù)控磨床電主軸，基本上都采用后者（期矢量控制驅(qū)動(dòng)器）。矢量控制驅(qū)動(dòng)器又有開(kāi)環(huán)型和閱環(huán)型之分，閉環(huán)型在主軸上裝有高性能編碼器作為檢測(cè)元件，以實(shí)現(xiàn)位置和速度反饋，從而有更好的動(dòng)態(tài)性能，還可以實(shí)現(xiàn)主軸的定向準(zhǔn)停和C軸功熊。
主軸電動(dòng)機(jī)和機(jī)床主軸合為一體的電主軸，通常采用的是交流高頻電動(dòng)機(jī)，故也稱(chēng)為″高頻主軸″。其主要特征是將電動(dòng)機(jī)內(nèi)置于主軸內(nèi)部直接驅(qū)動(dòng)主軸，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)、主軸一體化的功能。
3．電主軸的特點(diǎn)
1)主軸由內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、機(jī)械效率高、噪聲低、振動(dòng)小和精度高等特點(diǎn)。
2)采用交流變頻調(diào)速和矢量控制，輸出功率大，調(diào)整范圍寬，功率轉(zhuǎn)矩特性好。
3)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，可實(shí)現(xiàn)很高的速度和加速度及定角度的快速準(zhǔn)停。
4)電主軸更容易實(shí)現(xiàn)高速化，其動(dòng)態(tài)精度和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性更好。
5)由于沒(méi)有中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)的外力作用，主軸運(yùn)行更平穩(wěn)，使主軸軸承壽命得到延長(zhǎng)。
6)電主軸是一種智’能型功能部件，不但轉(zhuǎn)速高、功率大，還有一系列控制主軸溫升與振動(dòng)等機(jī)床運(yùn)行參數(shù)的功能，以確保其高速運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性與安全。
7)內(nèi)置于主軸部件后，電動(dòng)機(jī)不可避免有發(fā)熱的問(wèn)題，從而需要專(zhuān)門(mén)用于冷卻電動(dòng)機(jī)的油冷或水冷系統(tǒng)；高頻電動(dòng)機(jī)要有變頻器類(lèi)的驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)速的變換；高速軸承有時(shí)要有專(zhuān)門(mén)的潤(rùn)滑裝置以及為了保證高速回轉(zhuǎn)部件的安全，要有報(bào)警及停車(chē)用的傳感器及其控制系統(tǒng)等一系列支持電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)的外圍設(shè)備和技術(shù)。
4．高速電主軸用軸承
(1)滾動(dòng)軸承數(shù)控磨床高速主4的性能，在相當(dāng)程度上取決于主軸軸承及其潤(rùn)滑。滾動(dòng)軸承由于具有剛度好、精度可以制造得較高、承載能力強(qiáng)和結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，受到超高速磨床的青睞。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，圓錐滾子軸承最差。
角接觸球軸承的球（即滾珠）既公轉(zhuǎn)又自轉(zhuǎn)，會(huì)產(chǎn)生離心力和陀螺力矩隨著主軸轉(zhuǎn)速的增加，離心力和陀螺力矩鴨也會(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150或200的小球徑軸承。但是，球徑不能減小過(guò)多，基本上只能是標(biāo)準(zhǔn)系列球徑的70%，，以免削弱軸承的尉度，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，氮化硅(Si，N．)陶瓷的密度僅為GCr15軸承鋼的41q6，用氯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繩多。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，麗熱l聯(lián)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，陶瓷竦角接觸璩軸承與相應(yīng)的鋼球角接觸球軸承相比速度能提高25%~35%，不過(guò)價(jià)格也要高-些。
國(guó)外將內(nèi)外圈為鋼、滾動(dòng)體為陶瓷的軸承統(tǒng)稱(chēng)為混合軸承。目前混合軸承又有新發(fā)展：一是陶瓷材料已用于制作圓柱滾子軸承的滾子，市場(chǎng)上出現(xiàn)了陶瓷圓柱混合軸承；二是用不銹鋼（比如FAG公鐲用氮化不銹鋼代替軸承鋼制作軸承的內(nèi)外圈特別是內(nèi)圈，由于不銹鋼的熱膨脹系數(shù)比軸承鋼小20%，自然在高速圓轉(zhuǎn)時(shí)。因內(nèi)鼠熱膨脹所造成的接觸應(yīng)力增大趨勢(shì)會(huì)受到抑制）。
，DN值懸表達(dá)滾動(dòng)軸承高速性能的速度因子（D是滾動(dòng)軸承內(nèi)、外圈的平均直徑，單位為mm；N是軸醺的轉(zhuǎn)速，單位為r／雕in）。角接觸球軸承的高速性能不僅與球的接觸角、直徑和材料相關(guān)，而且與軸承的潤(rùn)滑方式關(guān)系密切。目前滾動(dòng)軸承有脂潤(rùn)滑、油霧潤(rùn)滑和洎氣瀾滑三種方式，其中油霧潤(rùn)滑雖然效果不錯(cuò)，但污染環(huán)境和危害工人健康，國(guó)外已很少采用。
脂潤(rùn)滑是和環(huán)保性一種潤(rùn)滑方式。由于脂在超高速運(yùn)轉(zhuǎn)下容易變質(zhì)，故其DN值較低，軸承為鋼球時(shí)僅達(dá)80×104mm．r/min，為陶瓷球時(shí)可達(dá)110×104mm．r/min（FAG公司開(kāi)發(fā)的薪一代低溫轅承其DN值還可以在此基礎(chǔ)上增加10t16左右>。現(xiàn)在高速主軸軸承用得最多的是油氣瀾滑方式，5它是定時(shí)、定量地供給軸承油·氣混合物，使軸承備部位獲得的微量滿(mǎn)滑并撼污染減至很小。
采用油氣潤(rùn)滑的鋼球或陶瓷球角接觸球軸承，其DⅣ、值一般可分別達(dá)到140×104mm．r/min和210×l04mm．r/mm，若采用比較特殊的油氣潤(rùn)滑方式，陶瓷球角接觸球軸承的DN值可達(dá)250×104mm．r/min甚至更高一點(diǎn)。
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″形布局的兩對(duì)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。一般說(shuō)來(lái)，角接觸球軸承需要在軸向有預(yù)加負(fù)荷時(shí)才能正常工作，預(yù)加負(fù)荷越大，軸承的剛度越高，但溫升也越大。比較簡(jiǎn)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，選定一個(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。
最近幾年，由于陶瓷圓柱混合軸承的面世和油氣潤(rùn)滑的較普遍應(yīng)用，圓柱滾子軸承的高速性能得到較大改進(jìn)，所以現(xiàn)在已有相當(dāng)數(shù)量的高速加工中心，其電主軸的后軸承采用了允許內(nèi)、外圈相對(duì)移動(dòng)量較大并能承受更大徑向負(fù)荷的圓柱滾子軸承。這樣就可在提高剛度的條件下，用比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)達(dá)到主軸可自由向后膨脹的目的，瑞士Step-Tec公司生產(chǎn)的高速電主軸，其后軸承就是采用陶瓷圓柱混合軸承。
(2)動(dòng)靜承它用流體季力與流體靜力相結(jié)合的方法使主軸在油膜支撐中回轉(zhuǎn)，兼有動(dòng)承和靜承的優(yōu)點(diǎn)，剛度和精度高，阻尼大，壽命長(zhǎng)，已用于InSersoll主軸轉(zhuǎn)速為20000r/min的某些高速磨床上。然而，此種軸承在主軸軸頸表蕊線(xiàn)速度超過(guò)50rrr/8時(shí)，油流也會(huì)由層流變?yōu)橥牧鳎瑯訒?huì)出現(xiàn)發(fā)熱嚴(yán)重和功率損失的問(wèn)題，其進(jìn)一步高速化仍是一個(gè)正在研究的課題，并一直受到業(yè)界人士的重視。湖南大學(xué)也研制了動(dòng)靜承高速外圓磨削電主軸，如圖7-22所示，轉(zhuǎn)速8000r/min（功率18kW），旋轉(zhuǎn)精度1.0岬，主軸直徑70mm，600Qr/min運(yùn)轉(zhuǎn)溫升15℃（室溫25℃），已成功地在高速磨床上應(yīng)用多年，具有軸承剮性好（340N/p*rn）、回轉(zhuǎn)精度高（徑向、軸向跳動(dòng)均在0:002mm以?xún)?nèi)）、使用壽命長(zhǎng)（可連續(xù)運(yùn)行幾年而免維護(hù)）等優(yōu)點(diǎn)。靜動(dòng)承供油系統(tǒng)配置了油液恒溫控制油箱，以保證主軸軸承處的溫升在速時(shí)不大于20qC，另外，在后置調(diào)頻電動(dòng)機(jī)處設(shè)計(jì)了強(qiáng)風(fēng)排熱裝置，保證主軸系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)的工作穩(wěn)定性。
目前國(guó)外超高速平面磨床較多采用的是陶瓷球軸承、磁懸浮軸承及液體靜承。陶瓷球軸承制造難度大、成本高，與鋼配套時(shí)熱彩脹系數(shù)小，對(duì)拉伸應(yīng)力和缺口應(yīng)力敏感；磁懸浮軸承造價(jià)昂貴，承載能力相對(duì)較低，常用于高速輕切削機(jī)床主軸系統(tǒng)；靜承則必須配有較大功率的供油系統(tǒng)，且噪聲大。而液體動(dòng)靜承則擁有動(dòng)承和靜承的優(yōu)點(diǎn)，在全速度范圍內(nèi)能保持很高的承載能力、剛度、旋轉(zhuǎn)精度、抗振性；同時(shí)在主軸系統(tǒng)中采用冷卻措施后，主軸軸承系統(tǒng)的溫升和熱變形將會(huì)得到有效的控制，因而將在超高速磨床上得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的軸承工程設(shè)計(jì)更多的是依賴(lài)經(jīng)驗(yàn)和近似計(jì)算，通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比尋求較優(yōu)方案而不是方案。本研究基于試驗(yàn)和所建立的軸承穩(wěn)態(tài)性能數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了實(shí)用化高速液體動(dòng)靜承優(yōu)化設(shè)計(jì)。
1)軸承結(jié)構(gòu)形式圖7 -23給出了機(jī)床高速主軸采用的五腔液體動(dòng)靜承幾何示意圖。小腔結(jié)構(gòu)可提高軸承剛性，外加小孔節(jié)流可提高軸承的靜壓承載能力，且節(jié)流器對(duì)液體的阻力與粘度無(wú)關(guān)，因而油液溫升對(duì)節(jié)流器液阻無(wú)影響，故小孔節(jié)流器適合用于高速精密機(jī)床主軸中。另外，軸承采用低粘度流體做工作介質(zhì)，在滿(mǎn)足油膜剛度的前提下，克服了大封油面引起大摩擦功耗這一問(wèn)題，從而降低了油膜溫升。不設(shè)置軸向回油槽，軸承流量小，且封油面上有顯著的動(dòng)壓效應(yīng)。采用五腔結(jié)構(gòu)，承載能力及油膜剛度的方向性小，油膜均化作用強(qiáng)，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)精度也隨之提高。在高速條件下，軸承封油面租糙可能導(dǎo)致油膜壓力和溫度的升高，故應(yīng)降封油低表面粗糙度。
軸承在純靜壓工作時(shí)，在整個(gè)油腔內(nèi)腔壓可認(rèn)為是均勻的；而在油腔的液流方向一側(cè)邊界上由于流體的慣性而出現(xiàn)了壓力下降。在軸承動(dòng)靜壓工作時(shí)，由于粘性剪切效應(yīng)，在節(jié)流口供油線(xiàn)的順流區(qū)域的臨近油腔邊界處會(huì)出現(xiàn)壓力上升現(xiàn)象。
2)優(yōu)化設(shè)計(jì)。高速動(dòng)靜承結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且參數(shù)多。其優(yōu)化設(shè)計(jì)可分為腔型結(jié)構(gòu)優(yōu)化和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)。由文獻(xiàn)知，高速軸承油腔形狀以方形為好。矩形油腔形狀與方形類(lèi)似，+也值得研究。提高供油壓力可以提高軸承的承載能力，同時(shí)也不會(huì)增加軸承的溫升（當(dāng)然液壓系統(tǒng)的溫拜會(huì)增大）。目前，普通齒輪油泵供油壓力為2. 5MPa，因此要達(dá)到有關(guān)文獻(xiàn)中所述7MPa的供油壓力，必須對(duì)供油系統(tǒng)作大的改進(jìn)，供油壓力選擇也需要作相應(yīng)調(diào)整。軸承潤(rùn)滑劑可采用3號(hào)高速機(jī)油，其粘度較小，高速下軸承溫升較低。在更高的轉(zhuǎn)速下，可采用粘度更小的水做潤(rùn)滑劑。在影響軸承性能的眾多參數(shù)中，以半徑間隙、小孔節(jié)流器孔徑、軸承寬徑比、腔面積與軸承總內(nèi)表面積之比、軸承相對(duì)軸向封油面長(zhǎng)度和相對(duì)周向封油面長(zhǎng)度等參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的影響，可將其作為可選擇的設(shè)計(jì)變量。
高速主軸軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，關(guān)鍵是降低發(fā)熱和溫升，而協(xié)調(diào)軸承承載能力與總功率損失（尤其是軸承摩擦功耗）之間的關(guān)系是優(yōu)化設(shè)計(jì)的核心，通常是以單位承載量下的總功率損失最小作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)。將超高速主軸軸承系統(tǒng)的一些次要的性能及設(shè)計(jì)變量取值作為邊界條件處理，同時(shí)為加快優(yōu)化計(jì)算，可將設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件進(jìn)行規(guī)格化處理。
針對(duì)磨削速度達(dá)150m/s的超高速磨削主軸系統(tǒng)的動(dòng)靜壓混合軸承進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算表明，矩形油腔軸承性能要明顯優(yōu)予方形油腔軸承。優(yōu)化結(jié)果表明，軸承具有較高的承載能力、較大的潤(rùn)滑油流量、較低的溫升、較低的功耗，其他參數(shù)也較好，這毒明優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的。比較優(yōu)化設(shè)計(jì)與初設(shè)計(jì)，軸承的穩(wěn)態(tài)性能（即優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)）從0.1327下降到0.1174，得到了明顯改善。本優(yōu)化設(shè)計(jì)的結(jié)果將應(yīng)用于超高速磨頭軸承設(shè)計(jì)中。
研究表明，軸承中壓力出現(xiàn)在最小油膜厚度處的封油面上；溫升是由軸承內(nèi)流體的湍流效應(yīng)和軸承表面粗糙度效應(yīng)共同作用的結(jié)果。研究還表明，軸承的圓周方向的收斂區(qū)內(nèi)，溫升不斷增加，在軸承最小油膜厚度的下游位置，溫升到達(dá)值，并在一小鞋范圍確保持這個(gè)值。在軸承的軸向方向，在端泄處（郾軸承兩端）的溫升。在軸承升區(qū)域，潤(rùn)滑荊的粘度和密度有一定下降。
隨著軸承半徑間豫的增大，軸承流量增大而澡升快速下降，摩擦力矩隨著半徑閱隙的增大面稍有減小。但在小半徑間隙處，因?yàn)檩S承灄升丙使得潤(rùn)滑劑的粘度降低，因此此處摩擦力矩小。在高速大偏心率條件下，軸承摩擦力矩增大、溫升升高，盡管增大軸承半徑間隙能降低溫升，但同時(shí)軸承潤(rùn)滑劑流量也增大麗導(dǎo)致軸承供油系統(tǒng)中功耗增大，麗且半徑間隙加太會(huì)導(dǎo)致轆承剛度百降，因此要綜合考慮。主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大離心力，由于離心力的影響，軸會(huì)膨脹從而導(dǎo)致間隙減小，而且軸承中高的溫升也會(huì)導(dǎo)致軸承變形而影響軸承間隙，故應(yīng)考慮熱彈性。
研究表明，軸承在絕熱和等溫條件下性能計(jì)算值之所以相近，是由于平面磨床軸承的部分性能由其小孔節(jié)流器決定。因此，潤(rùn)滑劑對(duì)軸承性能的影響不是很大，但是軸承中潤(rùn)滑劑的溫度升高不但會(huì)較嚴(yán)重地影響潤(rùn)滑劑的粘度，麗重會(huì)影響軸承間隙，從而對(duì)其性能產(chǎn)生明顯影響。因此，動(dòng)靜承的熱效應(yīng)決不能忽視。另外，過(guò)高的溫升不僅會(huì)破壞潤(rùn)滑劑性質(zhì)，而且會(huì)破壞軸承材料。因?yàn)楦叩臏囟忍荻葧?huì)使軸承的材料產(chǎn)生裂紋，而軸承中熱效應(yīng)不均勻會(huì)使軸承不均勻變形甚至發(fā)生抱軸事故。因此，在設(shè)計(jì)中必須注意，軸承材料必須與其配合件（如軸、箱體）材料在熱效應(yīng)引起的變形方面均勻一致，同時(shí)軸承材料熱變形應(yīng)盡量小。在設(shè)計(jì)計(jì)算中，要把鞋承軸作為一個(gè)系統(tǒng)分梅，。同時(shí)考慮其熱效應(yīng)及熱效應(yīng)引起的彈性變形，進(jìn)行彈性分析。此外，高速動(dòng)靜承的主軸單元在制造、安裝、裝配、調(diào)試及調(diào)整中，也要保證高精度。
(3)靜承空氣靜承由于雕度特別是承載能力很差，盡管回轉(zhuǎn)精度很高秘確擦損失較小，也只能在超精密高速磨削等磨削負(fù)荷很小的場(chǎng)合使用。油靜承在高速回轉(zhuǎn)時(shí)，油囊內(nèi)產(chǎn)生湍流，液體摩擦力也隧轉(zhuǎn)速增高而增大，會(huì)造成大的功率損失和引起嚴(yán)重的發(fā)熱，故高速回轉(zhuǎn)的切削機(jī)床仍很少采用（IBAG公司已有一種轉(zhuǎn)速為32000r／Inin油靜承電圭軸供應(yīng)）。此外，nscHER公司正研制一種以水為介質(zhì)，名為Hyd玲F的靜承電主軸，轉(zhuǎn)速為36000r／min（功率失67kW）。靜承的設(shè)計(jì)方法與動(dòng)靜承基本類(lèi)似。
(4)磁浮軸承它是利用電磁力將主軸懸浮在空氣中的一種高性能軸承，而且在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中用靈敏的傳感器不斷檢測(cè)主軸位置，并反饋給控制器實(shí)時(shí)調(diào)整電磁力，使與轉(zhuǎn)子（軸承轉(zhuǎn)子和電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子）結(jié)合在一起的主軸始終保持在正確位置上。由于采用電子反饋系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，其剛度和阻尼可控，主軸能自動(dòng)動(dòng)平衡，其回轉(zhuǎn)精度可高達(dá)0.1岬。磁浮軸承無(wú)機(jī)械接觸，壽命很長(zhǎng)，它的高速性能僅受轉(zhuǎn)子硅鋼片離心力的制約，轉(zhuǎn)子線(xiàn)速度可達(dá)200m/s。顯而易見(jiàn)，磁浮軸承很適合高速高精度磨削機(jī)床使用，但由于控制復(fù)雜，成本很高，目前實(shí)際在機(jī)床上使用的還不多。德國(guó)GMN公司和瑞士IBAG公司已有成熟的磁浮軸承電主軸出售（IBAG生產(chǎn)轉(zhuǎn)速為70000r/min和40000r/min的兩種型號(hào)）。
磁浮軸承是利用電磁力將主軸無(wú)機(jī)械接觸、無(wú)潤(rùn)滑地懸浮起來(lái)的一種新型智能化軸承。磁浮軸承主軸單元的轉(zhuǎn)子和定子之間的單邊間隙為0.3~1.0mm，來(lái)開(kāi)動(dòng)以前，主軸由左右兩端的″輔助軸承″支承，其間隙小于微浮軸承的間隙，用以防止磁浮軸承在電磁系統(tǒng)失靈時(shí)發(fā)生故障。工作時(shí)，轉(zhuǎn)子的位置用高靈敏度的傳感器不斷進(jìn)行檢測(cè)，其信號(hào)傳給PID（比倒_積分-微分）控制器，以10000 7~/s左右的運(yùn)算速度，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，算出用于校正轉(zhuǎn)子位置所需的電流值，經(jīng)功率放大后，輸入定子電磁鐵，改變電磁力，從而始終保持轉(zhuǎn)子（主軸）的正確位置。
由于無(wú)機(jī)械接觸，磁浮軸承不存在機(jī)械摩擦與磨損，壽命很長(zhǎng)。轉(zhuǎn)子線(xiàn)速度可高達(dá)
200m/s（極限速度鼴受磋鋼片離心力強(qiáng)度的限制），無(wú)需潤(rùn)滑和密封，結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化。能耗很小（僅為滾動(dòng)軸承的1/50），禿振動(dòng)、無(wú)噪聲、溫升小、熱變形小。可在真空或有腐蝕介質(zhì)的環(huán)境中工作，工作可靠，凡乎不用維修。
由于磁浮軸承是用電磁力進(jìn)行反饋控制的智能型軸承，轉(zhuǎn)子位置能夠盤(pán)律，主軸剛度和阻尼可調(diào)。因此，當(dāng)由于負(fù)載變化使主軸軸線(xiàn)偏移時(shí)，磁浮軸承能迅速克服偏移而回到正確位置，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)談斷和在線(xiàn)監(jiān)控，使耄軸始終繞慣性軸回轉(zhuǎn)，消除了振動(dòng)，并可使主軸平穩(wěn)地越過(guò)各階臨界轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)超高速運(yùn)轉(zhuǎn)，回轉(zhuǎn)精度高達(dá)0.2um。
裝有磁浮軸承韻主軸可以逶應(yīng)控制，通過(guò)監(jiān)測(cè)定子線(xiàn)圈的電流，靈敏地控制切削力，通過(guò)檢測(cè)切削力微小變化控制機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以提高加工質(zhì)量。因此，磁浮軸承特別適用于高速、超高速加工。國(guó)外已有超高速磨削主軸頭，并已標(biāo)準(zhǔn)化。
磨床主軸設(shè)計(jì)串要求限定5個(gè)自由度，僅留一個(gè)回轉(zhuǎn)自由度。因此，要進(jìn)行5自由度控制的磨床主軸磁浮軸承結(jié)構(gòu)。
磁浮軸承支承的高速磨床主軸系統(tǒng)設(shè)計(jì)可綜合為以下四個(gè)步驟。
1)徑向和軸向磁浮軸承的性能結(jié)構(gòu)等參數(shù)設(shè)計(jì)。
2)磁浮軸承主軸系統(tǒng)控制器參數(shù)的穩(wěn)定域計(jì)算，從而得到的是各向同性的系統(tǒng)參數(shù)，最終系統(tǒng)需通過(guò)調(diào)試達(dá)到各向異性。
3)高速磁浮軸承主軸系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)計(jì)算，以了解系統(tǒng)在高速運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定性。
4)主軸系統(tǒng)的陀螺效應(yīng)分析計(jì)算，以確定是否需要進(jìn)行陀螺效應(yīng)控制補(bǔ)償。
按照上述步驟，可以對(duì)超高速磁浮軸承外圓磨床主軸單元系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)試驗(yàn)證明是成功的。當(dāng)然作更深入的研究是非常必要的。
磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是1介復(fù)雜的過(guò)程，其中主要的可分為：以軸承幾何與電氣參數(shù)為主的系統(tǒng)控制器的參數(shù)設(shè)計(jì)、以轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和軸承動(dòng)特性系數(shù)為主的動(dòng)力學(xué)性能設(shè)計(jì)以及特定條件下的陀*效應(yīng)解耦設(shè)計(jì)。除此之外，一個(gè)完整的磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還包括必要的機(jī)械設(shè)計(jì)、磁路與電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)以及電子電路的設(shè)計(jì)等。一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的磁浮軸承轉(zhuǎn)子系統(tǒng)除了精確地設(shè)計(jì)外，系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)節(jié)也是至關(guān)緊要的，有時(shí)甚至對(duì)成功與否起到?jīng)Q定性的作用。
目前，這種磁浮軸承已應(yīng)用于高速大功率電主軸中，采用CBN砂輪，進(jìn)行高效深磨加工，在實(shí)驗(yàn)室中取得了成功，它可以將鑄鍛毛坯直接加工出成品，集粗精加工于一身，同普通磨削相比，加工工時(shí)可以縮短98%，使磨削實(shí)現(xiàn)了優(yōu)質(zhì)與高效的結(jié)合。
磁浮軸承支承的高速主軸i系統(tǒng)，具有高速、高雕度、離精度和可控等的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用該技術(shù)的超高速磨床，雖然初期投資成本商，但其*的使用性能使其綜合效益高。期望國(guó)內(nèi)有關(guān)單位積極開(kāi)拓，使磁浮軸承主軸單元技術(shù)盡早得到應(yīng)用。
5．高速主軸動(dòng)平衡
離心力與生南轉(zhuǎn)速的平方成正比，主軸高速回轉(zhuǎn)時(shí)，微小的不平衡量也會(huì)引起巨大的離心力，造成機(jī)床振動(dòng)進(jìn)而影響加工質(zhì)量，故此，動(dòng)平衡是高速主軸系統(tǒng)需要認(rèn)真解決的題。專(zhuān)業(yè)電主軸廠(chǎng)生產(chǎn)的電主軸都經(jīng)過(guò)嚴(yán)格韻動(dòng)平衡，一般都執(zhí)行ISO標(biāo)準(zhǔn)GO.4級(jí)，即在轉(zhuǎn)速時(shí)殘余動(dòng)不平衡引起的振動(dòng)速度不得超過(guò)& 4mm／s。廣義的主軸系統(tǒng)還包含刀具，加工過(guò)程中每更換一把刃具，其動(dòng)不平衡量就會(huì)發(fā)生變化。為此，F(xiàn)ISCHER公司提供一種在線(xiàn)自動(dòng)平衡裝置，它能自動(dòng)測(cè)出主軸系統(tǒng)的不平衡量，并自動(dòng)使位于電主軸前端的兩個(gè)平衡圓盤(pán)相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)到一個(gè)動(dòng)不平衡量最小的位置。
強(qiáng)大的磨削工業(yè)不斷提出要求，使電主軸的功率和品質(zhì)都不斷得到提高。目前，電主軸轉(zhuǎn)速可達(dá)200000r/min，直徑范圍為33—300mm，功率范圍為125W一80kW，轉(zhuǎn)矩范圍為0. 02。300N．m。國(guó)外高速電主軸技術(shù)由于研究較早，電主軸單元發(fā)展較快，技術(shù)水平也處于地位，并且隨著變頻技術(shù)及數(shù)字技術(shù)的發(fā)展日趨完善，逐步形成了一系列標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，高轉(zhuǎn)速電主軸在機(jī)床行業(yè)和工業(yè)制造業(yè)中普遍采用。最近及今后一段時(shí)間，應(yīng)著重發(fā)展研究大功率、大轉(zhuǎn)矩、調(diào)速范圍寬、能實(shí)現(xiàn)快速制起動(dòng)、準(zhǔn)確定位、自動(dòng)對(duì)刀等數(shù)字化高標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)主軸單元。
近幾年美國(guó)、日本、德國(guó)、意大利、英國(guó)、加拿大和瑞士等工業(yè)強(qiáng)國(guó)爭(zhēng)相投入巨資大力開(kāi)發(fā)此項(xiàng)技術(shù)。的有德國(guó)的GMN公司、Siemens公司，意大利的Gamfior公司及日本三菱公司和安川公司等，它們的技術(shù)水平代表了這個(gè)領(lǐng)域的水平。這些公司生產(chǎn)的電主軸具有功率大、轉(zhuǎn)速高，采用高速、高剛度軸承，精密加工與精密裝配工藝水平高和配套控制系統(tǒng)水平高等特點(diǎn)。
電主軸的出現(xiàn)，很好地適應(yīng)了超高速磨削加工的要求，并將逐步取代傳統(tǒng)的機(jī)床主軸系統(tǒng)。不同的電動(dòng)機(jī)應(yīng)用于電主軸驅(qū)動(dòng)有各自的優(yōu)劣，具體的情況由加工對(duì)象決定。永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩密度大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性更好，但是永磁同步電動(dòng)機(jī)弱磁問(wèn)題始終較難解決，而且主軸電動(dòng)機(jī)功率要求較高，用永磁同步電動(dòng)機(jī)的稀土材料成本過(guò)高。其他的磁阻電動(dòng)機(jī)具有較高的性?xún)r(jià)比和*的性能優(yōu)勢(shì)，但目前還處于研究階段，實(shí)際的應(yīng)用較少。
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(jiǎn)單，制造工藝相對(duì)成熟和安裝方便，特別是可以更大限度地減弱磁場(chǎng)，易于實(shí)現(xiàn)高速化。雖然帙矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制需精確計(jì)算磁通矢量位置，存在計(jì)算量大的閏題，但髓著具有高速運(yùn)算能力、功能強(qiáng)大的DSP/RISC微處理器的應(yīng)用，各種現(xiàn)代控箭理論算法如自適應(yīng)控制、kalman濾波算法已經(jīng)能夠?qū)崟r(shí)實(shí)現(xiàn)，能精確地計(jì)算出磁通矢量的位置，完成閉環(huán)磁通控制。低速抖動(dòng)、對(duì)參數(shù)變化敏感等異步電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)將被弱化，以實(shí)現(xiàn)高性能的主軸驅(qū)動(dòng)。所以，現(xiàn)階段異步交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī)仍將是機(jī)床電主軸的主要機(jī)型。超高速磨床磨削技術(shù)的來(lái)歷