图1-23无集电环摩擦片式电磁离合器
图1-24啮合式电磁离合器
l-线圈2-衔铁3-螺钉4-弹簧5-定位环 6-隔离环7-联接螺钉8-旋转集电环 9-磁轭
1-传动齿轮2-联接件3-套筒4-外摩擦片5-内摩擦片6-挡环7-滚动轴承8-绕组 9-铁芯 10-衔铁 11-螺钉
线圈1通电，带有端面齿的衔铁2又通过渐开线花键与定位环5相联，再通过螺钉7与传动件相联。磁轭内孔的花键送给另一个轴，这样，就使与螺钉7相联的轴与另一轴同时旋转。隔离环6是防止传动轴分离一部分磁力线，进而削弱电磁吸引力。衔铁采用渐开线花键与定位环5相联是为了保证同轴度。这种离合器必须在低于l～2r/min的转速下变速。与其他型式的电磁离合器相比，啮合式电磁离合器能够传递更大的转矩，因而相应地减小了离合器的径向和轴向尺寸，使主轴箱的结构更为紧凑。啮合过程无滑动是它的另一个优点，这样不但使摩擦热减少，有助于改善数控机床主轴箱的热变形，而且还可以在有严格要求的传动比的传动链中使用。但这种离合器带有旋转集电环8，电刷与滑环之间有摩擦，影响了变速的可靠性，而且还应避免在很高的转速下工作。另一方面，离合器必须在低于1～2r／min的转速下变速，这将给自动变速带来不便。根据上述特点，啮合式电磁离合器较适宜于在要求温升小和结构紧凑的数控机床上使用。
（5）内装电动机主轴变速
这种主传动是电动机直接带动主轴旋转，如图1-20d所示，因而大大简化了主轴箱体与主轴的结构，有效地提高了主轴部件的刚度，但主轴输出转矩小，电动机发热对主轴的精度
图1-25内装电动机主轴
影响较大。
近年来，出现了一种新式的内装电动机主轴，即主轴与电动机转子合为一体。其优点是主轴组件结构紧凑，重量轻，惯量小，可提高起动、停止的响应特性，并利于控制振动和噪声。缺点是电动机运转产生的热量易使主轴产生热变形。因此，温度控制和冷却是使用内装电动机主轴的关键问题。如图1-25所示为日本研制的立式加工中心主轴组件，其内装电动机主轴最高转速可达20000r／min。
4、高速主轴的设计
自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速主轴的发展是以航空工业、家电、汽车等工业追求机械零件的轻量化而普遍采用铝合金零件后，提出的轻铝合金高速加工的课题而产生的。对于钢铁等黑色金属的加工，由于刀具寿命的限制，目前的最高主轴转速在10000r／min已经足够充裕，而铝合金的切削性能就不同，根据日本大隈铁工所做的铝合金切削试验，速度提高，表面粗糙度R。值降低。表1-1是铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系。
表1-1 铝合金在切削实验中切削速度和表面粗糙度的关系 转速／r.min-1 10000 20000 30000 进给量／mm.min-1 1000 2000 3000 切削速度／mm.min-1 785 1570 2356 Ra/μm 0.56 0.46 0.32 0.32 40000 4000 3142 主轴高速化首先要解决的技术问题有三方面： （1）高速电动机的控制技术
高速电动机的控制技术是一项新技术。 （2）高速轴承的开发
高速时选用陶瓷轴承的方案已在加工中心机床上采用，其轴承的滚动体是用陶瓷材料制成，而内、外圈仍用轴承钢制造。陶瓷材料为Si3N4，其优点是重量轻，为轴承钢的40％；热膨胀率低，是轴承钢的25％；弹性模量大，是轴承的1.5倍。采用陶瓷滚动体，可大大减小离心力和惯性滑移，有利于提高主轴转速。目前的问越是陶瓷价格昂贵，且有关寿命、可靠性实验数据尚不充分,需进一步试验和完善。 (3)冷却润滑技术的研究 过去，加工中心机床主轴轴承大都采用油脂润滑方式，为了适应主轴转速向更高速化发展的需要，新的冷却润滑方式相继开发出来，见表1-2。 表1-2主轴转速变迁表 时间／年 1980 1984 1986 1988 1990 转速／r.min-1 5000 7000 10000 15000 20000 25000～30000 润滑方式 油脂 油气 油脂 油气 喷注 喷注 备 注 陶瓷轴承(滚动体) 陶瓷轴承(滚动体) 全陶瓷轴承 (1)油气润滑方式这种润滑方式不同于油雾方式，油气润滑是用压缩空气把小油滴送进轴承空隙中，油量大小可达最佳值，压缩空气有散热作用，润滑油可回收，不污染周围空气。图1-26是油气润滑原理图。根据轴承供油量的要求，定时器的循环时间可从1～99min定时，二位二通气阀每定时开通一次，压缩空气进入注油器，把少量油带入混合室，经节流阀的压缩空气，经混合室，把油带进塑料管道内，油液沿管道壁被风吹进轴承内，此时，油成
小油滴状。
(2)喷注润滑方式 这是最近开始采用的新型润滑方式，其原理如图1-27所示。它用较大流量的恒温油(每个轴承3～4L／min)喷注到主轴轴承，以达到冷却润滑的目的。回油则不是自然回流，而是用两台排油液压泵强制排油。
(3)突入滚道式润滑方式 内径为100mm的轴承以2000r／min速度旋转时，线速度为100m／s以上，轴承周转的空气也伴随流动，流速可达50m／s。要使润滑油突破这层旋转气流很不容易，采用突人滚道式润滑方式则可以可靠地将油送人轴承滚道处。
如图1-28所示为适应该要求而设计的特殊轴承。润滑油的进油口在内滚道附近，利用高速轴承的泵效应，把润滑油吸入滚道。若进油口较高，则泵效应差，当进油接近外滚道时则成为排放口了，油液将不能进入轴承内部。
图1-26 油气润滑 图1-27 喷注润滑系统
(4)电动机内装式主轴 电动机转子装在主轴上，主轴就是电动机轴，多用在小型加工中心机床上。这也是近来高速加工中心主轴发展的一种趋势。如图1-29所示为结构示意图以及冷却油流经路线。
图1-28 突入滚道润滑用特种轴承
图1-29 电动机内装式主轴
1.5主轴部件
数控机床主轴部件是影响机床加工精度的主要部件，它的回转精度，影响工件的加工精度；它的功率大小与回转速度，影响加工效率；它的自动变速、准停、换刀等，影响机床的自动化程度。主轴部件是数控机床的一个关键部件，它包括主轴的支承、安装在主轴上的传动零件等。主轴部件质量的好坏直接影响加工质量。无论哪种机床的主轴部件都应满足下述几个方面的要求：主轴的回转精度、部件的结构刚度和抗振性、运转温度和热稳定性以及部件的耐磨性和精度保持能力等。对于数控机床尤其是自动换刀数控机床，为了实现刀具在主轴上的自动装卸与夹持，还必须有刀具的自动夹紧装置、主轴准停装置和主轴孔的清理装置等结构。
1、主轴端部的结构形状
主轴端部用于安装刀具或夹持工件的夹具，在设计要求上，应能保证定位准确、安装可靠、联接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。主轴端部的结构形状都已标准化，如图1-30所示为普通机床和数控机床所通用的几种结构形式。
图1-30a为车床主轴端部，卡盘靠前端的短圆锥面和凸缘端面定位，用拨销传递转矩，卡盘装有固定螺栓，卡盘装于主轴端部时，螺栓从凸缘上的孔中穿过，转动快卸卡板将数个螺栓同时栓住，再拧紧螺母将卡盘固牢在主轴端部。主轴为空心，前端有莫氏锥度孔，用以安装顶尖或心轴。
图1-30b为铣、镗类机床的主轴端部，铣刀或刀杆在前端7:24的锥孔内定位，并用拉杆从主轴后端拉紧，而且由前端的端面键传递转矩。
图1-30c为外圆磨床砂轮主轴的端部；图d为内圆磨床砂轮主轴端部；图。为钻床与普通镗杆端部，刀杆或刀具由模氏锥孔定位，用锥孔后端第一扁孔传递转矩，第二个扁孔用以拆卸刀具。但在数控镗床上要使用b图的形式，图为7:24的锥孔没有自锁作用，便于自动换刀时拔出刀具。主轴是主轴组件的重要组成部分。它的结构尺寸和形状、制造精度、材料及热处理等，对主轴组件的工作性能有很大的影响。主轴结构随主轴系统设计要求的不同而有多种形式。
图1-30 主轴端部的结构形式
主轴的主要尺寸参数包括：主轴直径、内孔直径、悬伸长度和支承跨度。评价和考虑主轴主要尺寸参数的依据是主轴的刚度、结构工艺性和主轴组件的工艺适用范围。
1)主轴直径 主轴直径越大，其刚度越高，但使得轴承和轴上其它零件的尺寸相应增大。轴承的直径越大，同等级精度轴承的公差值也越大，要保证主轴的旋转精度就越困难。同时极限转数下降。主轴前支承轴颈D1的直径(mm)可根据主电动机功率(kw)和机床种类由表7-1初估。主轴后端支承轴颈的直径可是0.7~0.8的前支承轴颈值,实际尺寸要在主轴组件结构设计时确定。前、后轴颈的差值越小则主轴的刚度越高，工艺性能也越好。
表达1-3主轴前轴颈的直径D1 功
率
D11
1.47~2.5
2.6~3.6
3.7~5.5
5.6~7.3
7.4~11
11~14.7
14.8~18.4
18.5~22
22~29.5
机 床
车床 升降台铣床 外圆磨床
60~80 50~90
70~90 60~90 50~60
70~105 60~95 55~70
90~130 75~100 70~80
110~145 90~105 75~90
140~165 100~115 75~100
150~190
90~100
220
105
230
105
2)主轴内孔直径 主轴的内孔直径用来通过棒料、用于通过刀具夹紧装置固定刀具、传动气动或液压卡盘等。主轴孔径越大，可通过的棒了直径也越大，机床的使用范围就越广，同时主轴部件的相对重量也越轻。主轴的孔径大小主要受主轴刚度的制约。主轴的孔径与主轴直径之比，小于0.3时空心主轴的刚度几乎与实心主轴的刚度相当；等于0.5时空心主轴的刚度为实心主轴刚度的90％；大于0.7时空心主轴的刚度就急剧下降。一般可取其比值为0.5左右。
3)悬伸长度 主轴的悬伸长度与主轴前端结构的形状尺寸，前轴承的类型、组合方式和轴承的润滑与密封有关。主轴的悬伸长度对主轴的刚度影响很大。因此，主轴悬伸长度越短，其刚度越高。
4)主轴的支承跨距主轴组件的支承跨距对主辅本身刚度和对支承刚度有着很大的影响。主轴的支承跨距存在着最佳跨距，可使主轴组件前端位移最小。机床的主轴组件，由于受结构限制以及保证主轴组件的重心落在两支承点之间,实际的支承跨距大于最佳的支承跨距。用传统方式计算理想支承跨距，既费时又不准确。这里介绍日本精工株式会社(NSK)推荐的公式，供参考