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摘要：随着工程领域广泛采用以铝及其合金为代表的诸多轻金属及有色金属做为工件材质，这些新型材料材质的工件加工必须在高速切削加工下完成。高速切削意味着机床主传动系统转速性能的提升。本文简要从影响机床主轴实现高速化等综合性能的提升中几点关键因素进行阐述。欢迎广大专家、同行批评指正。
关键词：高速主轴，润滑，动平衡，热稳定性
中图分类号：TH133.33+4
1 高速主轴轴承的使用及对主轴的影响
机床用高速主轴通常只为单轴结构、主要由主轴、轴承、壳体及部分辅助件构成。高速主轴具备高转速、高刚性、高旋转精度、高可靠性等各项性能，且各项性能之间是相互制约。由高速主轴单轴结构分析，实现高速主轴的主要性能取决于支撑主轴的滚动轴承；在高速主轴轴承选用时，首先跟据高速主轴的刚度和转速性能确定轴承類型，然后根据需要综合考虑承载能力、寿命等性能。相同的工况下，较小球径的轴承由于产生的离心力小，因而允许的转速高，但刚度相对略低。高速主轴常采用轴承的类型有向心推力球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承等；其中向心推力球轴承因转速提升性能高、负荷性能适中、在机床高速主轴中应用最为广泛。高速主轴通常采用接触角为15°、25°、30°、40°四种向心推力球轴承、按照需求组合成不同性能的主轴轴承结构。
2 高速主轴的润滑
机床用高速主轴的润滑方式直接影响着高速主轴转速及寿命的综合性能提升。机床用高速主轴润滑、冷却方式的选用决定于主轴的结构、及轴承类型、转速。目前在机床行业内，应用最广泛的是脂润滑和油润滑两种润滑方式。高速主轴应根据自身使用目的、润滑条件选择适合的润滑方法。无论采用那种润滑方式、在高速主轴初次运转前都应进行油膜跑合、目的是使润滑剂形成油膜均匀的分布在轴承滚道及滚动体上。
（1）高速主轴的油脂润滑
高速主轴采用脂润滑可以使结构相对简单、不易泄漏造成环境污染、缺点是极限转速仅为同规格油润滑的65%-80%。同时由于润滑脂流动性差、造成尘埃过滤困难。脂润滑的机床高速主轴，设计时应按照性能考虑是否增加冷却装置。脂润滑方式中润滑脂的性能、用法及用量直接控制着润滑效果。当高速主轴采用脂润滑时，主要根据润滑脂稠度等特性选用油脂；在机床行业内、通常采用以矿物油作为基础油的锂基润滑脂。不同品牌的润滑脂性能，填充量不同均存在差异；润滑油脂的填充量应根据高速主轴轴承的类型、结构空间和工作转速情况确定。油脂的填充量影响着润滑效果。填充过多过少都会引起高速主轴温升、造成主轴性能的波动，严重时直接使得轴承寿命急剧降低。可见合理确定润滑脂填充量尤为重要。实际制造中、主要以润滑脂自身性能参数为指导、结合制造经验综合进行确定油脂填充量，一般不超过轴承内部自由空间的25%。
（1） 高速主轴油润滑
机床用高速主轴油润滑应用主要分为循环供油润滑（暨直润滑）、油雾润滑、油气润滑三种润滑方式。机床高速主轴采用油润滑具有润滑和冷却双重作用的优点，是机床用高速主轴理想的润滑方式。同脂润滑一样，油润滑中润滑油的性能同样决定着润滑效果、制约着主轴转速及寿命等性能的提升。高速主轴的旋转速度决定了润滑油的牌号；高速主轴旋转速度越快、使用润滑油粘度越低；高速主轴轴承负荷越大、采用轴承越大、使用的润滑油粘度越高。循环供油润滑（暨直润滑）是利用泵直接将油经管道浇注入轴承滚道内、进入轴承滚道的润滑油顺便将从保持架零件落下的磨屑冲掉经过回油管路返回油箱进行过滤冷却，冷却了油再次通过泵供油、如此循环。循环供油润滑缺点是润滑管道结构相对复杂、但循环润滑可以使得高速主轴轴承转速、寿命发挥到极点，而且大大降低了高速主轴的故障率，所以被用于各种超高速性能的高速主轴中。在相同工况下，若只考虑高速主轴的润滑、冷却情况，循环供油润滑是高速主轴润滑方式的首选；油雾润滑所需设备简单，维修方便，价格比较便宜；但它存在环境污染，油耗比较高等缺点。随着国家十二五绿色制造的规划，油雾润滑方式正悄然被淘汰；油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给高速主轴轴承，微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。油气润滑是高速大功率高速主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高，目前在机床制造业主要应用在高档主轴的润滑中。
3高速主轴的动平衡技术
在目前机床制造行业内、机床主传动系统的经济型旋转转速约在4000r/min以内，载荷要求相对较小机床主轴旋转速度已经达到20000r/min、甚至更高。转子的高速旋转产生的不平衡力冲击、破坏着机床主轴的基础零件；导致了机床在工作中产生振动、噪音、轴承零件损坏等疑难杂症，随主轴转速升高，由于不平衡引起的现象越明显。机床用高速主轴的动平衡精度主要为G1级、G0.4级。机床用高速主轴不平衡力主要由于零件材质不均匀，零件加工、组件装配中的累积误差导致。由此我们在设计制造高速主轴过程中、应充分考虑零件的动平衡问题。在高速主轴设计过程中、应避免零件的不平衡尺寸、不平衡形状存在；同时应设定不平衡校正面为后期制造中校正提供基准。在高速主轴组关键零件加工制造完成后、应对关键件进行不平衡校正。为降低组装后累计误差带来的不平衡问题、在高速主轴装配后，利用便携式动平衡设备对高速主轴组件进行二次动平衡校正。通过对关键件平衡校正、对主轴组件的二次平衡校正将高速主轴的动平衡精度控制在允许的误差内。近年来、随着测试技术的发展，利用振动测试设备测量出高速主轴的振动幅值A；振动周期T/频率f；振动相位三个振动要素、通过与基础收据对比、经验分析得出高速主轴的参数差异，直观的反应出由于不平衡等因素造成的各类高速主轴性能故障。
4 高速主轴的温升及热稳定性
高速主轴轴承的温升是高速主轴在制造中一项重要的技术指标。同时机床高速主轴在工作中由于温度升高引起主轴不稳定因素也是高速主轴设计、制造需要解决的关键问题。
（1） 高速主轴轴承的温升
机床用高速主轴在装配完成后必须进行空运转实验，在高速主轴空运转实验过程中、通过监测高速主轴轴承的温升情况，来衡量主轴是否达到理论性能。高速主轴的温升主要是由支撑轴承的发热引起。在不同工况下，轴承的温升曲线不同。高速主轴如在空运转过程中温升缓、且温度偏低，则考虑是高速主轴轴承游隙过大，预载荷未达到规定要求所致；如在运转过程中温升急，温度偏高，则可能是由于润滑不当、轴承与相关件配合不当、轴承安装不当、高速主轴组件动平衡超差等因素引起，需要根据实际工况进行分析原因排出故障。
（2）高速主轴的热稳定性
高速主轴在支撑轴承产生摩擦使得主轴温度提升、，同时旋转过程中与空气摩擦同样产生热量；这些热量传递传至了主轴及轴承等关键件上。主轴受热后会产生热伸长，且受热后高速旋转主轴挠度等弹性变形导致精度变更，最终影响机床加工精度和使用寿命。因此要获得高速、高稳定性的主轴，在完善高速主轴冷却装置的同时，还应多开发低成本、高机械性能的主轴及轴承用材料。以此提高我国机床行业的综合市场竞争力。
5结束语
近年来、随着我国对现有机床产品的升级换代及持续开发，实现核心功能部件自主化，构建国际先进的机床产品制造业的号角已经悄然吹响。高速主轴单元作为机床的核心部件在国内制造已经初步形成规模，随着工业技术的不断进步及高速主轴性能提升关键技术的掌握，推动着机械加工行业进入了高速切削的新时代。
参考文献：
[1]姜韶峰.高速机床主轴轴承及应用.轴承.2002.4.
关键词：高速主轴，润滑，动平衡，热稳定性
中图分类号：TH133.33+4
1 高速主轴轴承的使用及对主轴的影响
机床用高速主轴通常只为单轴结构、主要由主轴、轴承、壳体及部分辅助件构成。高速主轴具备高转速、高刚性、高旋转精度、高可靠性等各项性能，且各项性能之间是相互制约。由高速主轴单轴结构分析，实现高速主轴的主要性能取决于支撑主轴的滚动轴承；在高速主轴轴承选用时，首先跟据高速主轴的刚度和转速性能确定轴承類型，然后根据需要综合考虑承载能力、寿命等性能。相同的工况下，较小球径的轴承由于产生的离心力小，因而允许的转速高，但刚度相对略低。高速主轴常采用轴承的类型有向心推力球轴承、圆柱滚子轴承、双向推力角接触球轴承等；其中向心推力球轴承因转速提升性能高、负荷性能适中、在机床高速主轴中应用最为广泛。高速主轴通常采用接触角为15°、25°、30°、40°四种向心推力球轴承、按照需求组合成不同性能的主轴轴承结构。
2 高速主轴的润滑
机床用高速主轴的润滑方式直接影响着高速主轴转速及寿命的综合性能提升。机床用高速主轴润滑、冷却方式的选用决定于主轴的结构、及轴承类型、转速。目前在机床行业内，应用最广泛的是脂润滑和油润滑两种润滑方式。高速主轴应根据自身使用目的、润滑条件选择适合的润滑方法。无论采用那种润滑方式、在高速主轴初次运转前都应进行油膜跑合、目的是使润滑剂形成油膜均匀的分布在轴承滚道及滚动体上。
（1）高速主轴的油脂润滑
高速主轴采用脂润滑可以使结构相对简单、不易泄漏造成环境污染、缺点是极限转速仅为同规格油润滑的65%-80%。同时由于润滑脂流动性差、造成尘埃过滤困难。脂润滑的机床高速主轴，设计时应按照性能考虑是否增加冷却装置。脂润滑方式中润滑脂的性能、用法及用量直接控制着润滑效果。当高速主轴采用脂润滑时，主要根据润滑脂稠度等特性选用油脂；在机床行业内、通常采用以矿物油作为基础油的锂基润滑脂。不同品牌的润滑脂性能，填充量不同均存在差异；润滑油脂的填充量应根据高速主轴轴承的类型、结构空间和工作转速情况确定。油脂的填充量影响着润滑效果。填充过多过少都会引起高速主轴温升、造成主轴性能的波动，严重时直接使得轴承寿命急剧降低。可见合理确定润滑脂填充量尤为重要。实际制造中、主要以润滑脂自身性能参数为指导、结合制造经验综合进行确定油脂填充量，一般不超过轴承内部自由空间的25%。
（1） 高速主轴油润滑
机床用高速主轴油润滑应用主要分为循环供油润滑（暨直润滑）、油雾润滑、油气润滑三种润滑方式。机床高速主轴采用油润滑具有润滑和冷却双重作用的优点，是机床用高速主轴理想的润滑方式。同脂润滑一样，油润滑中润滑油的性能同样决定着润滑效果、制约着主轴转速及寿命等性能的提升。高速主轴的旋转速度决定了润滑油的牌号；高速主轴旋转速度越快、使用润滑油粘度越低；高速主轴轴承负荷越大、采用轴承越大、使用的润滑油粘度越高。循环供油润滑（暨直润滑）是利用泵直接将油经管道浇注入轴承滚道内、进入轴承滚道的润滑油顺便将从保持架零件落下的磨屑冲掉经过回油管路返回油箱进行过滤冷却，冷却了油再次通过泵供油、如此循环。循环供油润滑缺点是润滑管道结构相对复杂、但循环润滑可以使得高速主轴轴承转速、寿命发挥到极点，而且大大降低了高速主轴的故障率，所以被用于各种超高速性能的高速主轴中。在相同工况下，若只考虑高速主轴的润滑、冷却情况，循环供油润滑是高速主轴润滑方式的首选；油雾润滑所需设备简单，维修方便，价格比较便宜；但它存在环境污染，油耗比较高等缺点。随着国家十二五绿色制造的规划，油雾润滑方式正悄然被淘汰；油气润滑技术是利用压缩空气将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给高速主轴轴承，微小油滴在滚动体和内外滚道间形成弹性动压油膜，而压缩空气则带走轴承运转所产生的部分热量。油气润滑是高速大功率高速主轴轴承的最理想润滑方法，但其所需设备复杂，成本高，目前在机床制造业主要应用在高档主轴的润滑中。
3高速主轴的动平衡技术
在目前机床制造行业内、机床主传动系统的经济型旋转转速约在4000r/min以内，载荷要求相对较小机床主轴旋转速度已经达到20000r/min、甚至更高。转子的高速旋转产生的不平衡力冲击、破坏着机床主轴的基础零件；导致了机床在工作中产生振动、噪音、轴承零件损坏等疑难杂症，随主轴转速升高，由于不平衡引起的现象越明显。机床用高速主轴的动平衡精度主要为G1级、G0.4级。机床用高速主轴不平衡力主要由于零件材质不均匀，零件加工、组件装配中的累积误差导致。由此我们在设计制造高速主轴过程中、应充分考虑零件的动平衡问题。在高速主轴设计过程中、应避免零件的不平衡尺寸、不平衡形状存在；同时应设定不平衡校正面为后期制造中校正提供基准。在高速主轴组关键零件加工制造完成后、应对关键件进行不平衡校正。为降低组装后累计误差带来的不平衡问题、在高速主轴装配后，利用便携式动平衡设备对高速主轴组件进行二次动平衡校正。通过对关键件平衡校正、对主轴组件的二次平衡校正将高速主轴的动平衡精度控制在允许的误差内。近年来、随着测试技术的发展，利用振动测试设备测量出高速主轴的振动幅值A；振动周期T/频率f；振动相位三个振动要素、通过与基础收据对比、经验分析得出高速主轴的参数差异，直观的反应出由于不平衡等因素造成的各类高速主轴性能故障。
4 高速主轴的温升及热稳定性
高速主轴轴承的温升是高速主轴在制造中一项重要的技术指标。同时机床高速主轴在工作中由于温度升高引起主轴不稳定因素也是高速主轴设计、制造需要解决的关键问题。
（1） 高速主轴轴承的温升
机床用高速主轴在装配完成后必须进行空运转实验，在高速主轴空运转实验过程中、通过监测高速主轴轴承的温升情况，来衡量主轴是否达到理论性能。高速主轴的温升主要是由支撑轴承的发热引起。在不同工况下，轴承的温升曲线不同。高速主轴如在空运转过程中温升缓、且温度偏低，则考虑是高速主轴轴承游隙过大，预载荷未达到规定要求所致；如在运转过程中温升急，温度偏高，则可能是由于润滑不当、轴承与相关件配合不当、轴承安装不当、高速主轴组件动平衡超差等因素引起，需要根据实际工况进行分析原因排出故障。
（2）高速主轴的热稳定性
高速主轴在支撑轴承产生摩擦使得主轴温度提升、，同时旋转过程中与空气摩擦同样产生热量；这些热量传递传至了主轴及轴承等关键件上。主轴受热后会产生热伸长，且受热后高速旋转主轴挠度等弹性变形导致精度变更，最终影响机床加工精度和使用寿命。因此要获得高速、高稳定性的主轴，在完善高速主轴冷却装置的同时，还应多开发低成本、高机械性能的主轴及轴承用材料。以此提高我国机床行业的综合市场竞争力。
5结束语
近年来、随着我国对现有机床产品的升级换代及持续开发，实现核心功能部件自主化，构建国际先进的机床产品制造业的号角已经悄然吹响。高速主轴单元作为机床的核心部件在国内制造已经初步形成规模，随着工业技术的不断进步及高速主轴性能提升关键技术的掌握，推动着机械加工行业进入了高速切削的新时代。
参考文献：
[1]姜韶峰.高速机床主轴轴承及应用.轴承.2002.4.