数控机床高速电主轴技术及应用
高速电主轴
目前，国内外各著名机床制造商在高速 数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是 在复合加工机床、多轴联动、多面体加工 机床和并联机床中。
工作原理
电主轴就是直接将空心的电动机转子 装在主轴上，定子通过冷却套固定在主 轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元， 通电后转子直接带动主轴运转。
结构
电主轴由主轴及主轴箱本体、 电主轴由主轴及主轴箱本体、内置式 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 的交流伺服电机、辅助装置、检测装置组成。 主轴的变速有主轴驱动模块控制， 主轴的变速有主轴驱动模块控制，而 主轴单元内的温升由冷却装置控制。 主轴单元内的松刀油缸， 后面装有测速、测角位移编码器，松刀油缸， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 旋转接头；全段的内锥孔和端面用于安装刀具， 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。 刀具夹爪；中间有刀具拉杆，刀具夹紧弹簧。
发展趋势
（1） 向高速大功率和低速大转矩方向发展 向高精度、 （2） 向高精度、高刚度方向发展 （3） 向精确定向（准停）方向发展 向精确定向（准停） 向快速起、 （4） 向快速起、停方向发展 （5） 向超高速方向发展 （6） 向标准化方向发展
自动换刀机构原理
电主轴自动换刀机构的组成
由刀具夹紧部分和松刀部分组成。 刀具夹紧部分主要由拉刀爪、拉杆、碟 形弹簧等组成，这一部分随主轴一起旋转。 松刀部分主要通过气缸来实现，气动装 置提供动力，实现夹紧和放松刀柄的动作。
电主轴
机械与精密仪器工程学院 李博
内容
电主轴简介概述 自动换刀机构原理 电主轴动画制作流程 总结
电主轴简介概述
概述
电主轴是高速数控加工机床的“ 电主轴是高速数控加工机床的“心脏部 件”。 由于高速加工不但可以大幅度提高加工 效率，而且还可以显著提高工件的加工质 量，所以其应用领域非常广泛，特别是在 航空航天、汽车和模具等制造业中。于是， 具有高速加工能力的数控机床已成为市场 新宠。
国内外高速电主轴技术的现状与发展趋势
高速电主轴技术的现状与发展趋势高速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。
高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。
数控机床高速电主轴单元影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。
1、高速电主轴对数控机床的发展以及金属切削技术的影响对于数控机床模块化设计、简化机床结构、提高机床性能方面的作用：(1)简化结构，促进机床结构模块化电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。
(2)降低机床成本，缩短机床研制周期一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低成本制造；另一方面，采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，也有利于降低机床成本。
此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。
(3)改善机床性能，提高可靠性采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此提高了机床的可靠性；技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得以进一步提高。
(4)实现某些高档数控机床的特殊要求有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴，方能满足完善的功能要求。
2、促进了高速切削技术在机械加工领域的广泛应用电主轴系由内装式电机直接驱动，以满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。
电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。
采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量，因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。
电主轴的工作原理、典型结构及优点
电主轴的工作原理、典型结构及优点打印引用发布时间：2010-04-25电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”，本文介绍了电主轴的工作原理、典型结构，阐述了电主轴的关键技术，总结了其发展趋势.1、概述由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天、汽车和模具等制造业中。
于是，具有高速加工能力的数控机床已成为市场新宠。
目前，国内外各著名机床制造商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中。
电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”，其性能指标直接决定机床的水平，它是机床实现高速加工的前提和基本条件。
2、电主轴的工作原理、典型结构及优点2.1 电主轴的工作原理电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。
2.2电主轴的典型结构电主轴单元典型的结构布局方式是电机置于主轴前、后轴承之间（如图所示），其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度大，功率大，较适合于大、中型高速数控机床；其不足是在封闭的主轴箱体内电机的自然散热条件差，温升比较高。
1主轴箱体 2冷却套 3冷却水进口 4定子 5转子 6套筒7冷却水出口 8转轴 9反馈装置 10主轴前轴承 11主轴后轴承2.3电主轴的优点电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，提高了传动效率。
电主轴的刚性好、回转精度高、快速响应性好，能够实现极高的转速和加、减速度及定角度的快速准停（C轴控制），调速范围宽。
3、电主轴的关键技术“电主轴”的概念不应简单理解为只是一根主轴套筒，而应该是一套组件，包括：定子、转子、轴承、高速变频装置、润滑装置、冷却装置等。
因此电主轴是高速轴承技术、润滑技术、冷却技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用。
3.1电主轴的高速轴承技术实现电主轴高速化精密化的关键是高速精密轴承的应用。
数控机床高速电主轴技术要点分析
203中国设备工程C h i n a P l a n t E n g i n e e r i ng中国设备工程 2021.05 （上）高速电主轴，即为内装式电机主轴单元，是数控机床的重要部件。
其是在机床主轴单元内部安装主轴电机，对主轴起到了驱动作用，由此促使电机和主轴成为一个整体。
要提高数控机床的运行效率，就要掌握高速电主轴技术要点，充分发挥其优势，同时，推进电主轴技术不断完善。
1 高速电主轴所具备的优点传统的数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动作用的过程中，主要是带动中间的变速装置和传动装置，诸如齿轮、皮带以及联轴节等，此为“机械主轴”，也被形象地称为分离式和直联式主轴。
与这种传统的主轴相比，电主轴具备的优点如下。
（1）主轴运行中，是通过内部安装的电机驱动的，不需要通过中间的变速装置和传动装置，其设计结构简单而且紧凑，能够提高运行效率而且精度很高。
在运行的过程中，不会产生很大的噪声，振动也非常小。
（2）将交流变频技术充分利用起来，在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。
当机床运行的过程中，无论发生任何的工况，或者在负载变化的情况下，电主轴都有很好的适应性。
（3）内装电机运行中，能够控制闭环矢量，还可以按照控制命令有效调控功率，且能够灵活控制驱动装置运行速度、输出力矩等等。
电主轴可以满足各种大功率要求，诸如低速重切削大转矩的时候，或者高速精加工的时候，电主轴都能够很好地发挥作用，还可以实现准停，同时满足C 轴传动功能。
（4）电主轴可以高速运行，有良好的稳定性，动态精度较高，使数控机床切削的速度更高，加工的精密度也更高。
（5）由于电主轴的运行不需要经过中间传动环节，因此其平稳性更高，不会受到外来的冲击，主轴的轴承不需要承受很大的动负荷，精度寿命得以延长。
（6）电主轴使电机和主轴构成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，而且生产更加专业化。
电主轴作为数控机床功能部件，也作为一种商品进入到市场中。
电主轴装配工序和关键技术浅述
电主轴装配工序和关键技术浅述高速数控机床设计制造中，高速主轴最为关键。
近两年我公司与德国某研究机构联合设计了HTC40100zy车削中心，其主轴箱就是内置式电主轴。
一、高速电主轴的结构高速电主轴的典型结构：主轴有前后两套滚珠轴承来支承。
电主轴的转子用过盈配合的方法安装在主轴上，处于前后轴承之间，由过盈配合产生的摩擦力来实现大扭矩的传递。
在主轴上取消了一切形式的键连接和螺纹联接（这种设计主要是为了容易使主轴运转部分达到精确的动平衡），电动机的定子通过一个冷却套固装在电主轴箱体中。
HTC40100zy车削中心的电主轴即采用上述典型结构，将主电机置于主轴前后轴承之间，床头箱和主轴为我厂自制，电机为西门子的1FE1145-8WS31同步内置电动机，其中，定子常温下装在床头箱里，转子热装在主轴上。
主轴前后轴承分别为FAG B71932C.T.P4S（160×220×28）和FAG B71928C.2RSD.T.P4S （140×190×24），装在前后轴承座里，并采用适合高速主轴的弹簧预紧结构。
圆光栅采用HEIDENHAIN ERA180，冷却机为上海哈伯HWT-2RPSA。
前后轴承安装在前后轴承座里。
二、电主轴装配工艺的关键技术及工艺方案的确定1.装配工艺方案2.电主轴主要装配工序分析2.1装配前的准备由于电主轴床头箱装配后，拆装非常困难，因此装配前必须确保零件符合图纸要求。
装配过程如下：清点零件，收集所需工装，清洗零件，按图纸对零件进行检测。
2.2复检精度为确保床头箱体装配后的各项精度，装配前对床头箱及主轴精度进行复检、弹簧安装孔深度及预紧弹簧长度一致性的检测。
2.2.1复检床头箱精度取下前后轴承座，重新安装，送计量室上三坐标复检轴承安装孔精度，按检测结果和轴承外环与箱体孔的间隙修复箱体轴承孔。
2.2.2 弹簧安装孔深度及预紧弹簧长度一致性的检测前后外环隔套上的弹簧安装孔深度一致性要求均在0.04 mm以内；弹簧（φ10Xφ2X18，德国进口）自然状态下长度一致性要求均在0.01 mm以内。
DGZ-60E滚珠高速电主轴的研发和应用
1.电机系统电机系统为交流变频调速电机，处于主轴中部位置，如图所示，该电机具有以下特点：（1）调速方便、节能高效。
（2）电机结构简洁、体积小、惯量小、造价低、维修容易、耐用。
（3）通过变频器的调节，实现高转速和高电压运行。
（4）可以实现软启动和快速制动。
（5）无火花、防爆、环境适应能力强。
Research & Application 研发与应用2.拉刀系统主轴内部装有拉刀系统，主轴前端装有夹头，通过夹头的开闭，实现加工刀具的装夹，从而实现换刀的功能。
3.轴承系统轴承位于电机两端，分为上下两部分轴承。
轴承起支撑主轴旋转部分的作用，轴承采用闭式高性能陶瓷球轴承，具有转速高、寿命长、免维护等特性。
此系统已获得国家实用新型专利201120085353.8、201320740734.4、201320893672.0。
4.冷却系统主轴内部开有水道，冷却水通过图上的进水接头，进入主轴内部进行冷却电机及轴承，流经所有发热的部件后，由出水接头排出。
此系统已获得国家实用新型专利201320594939.6。
5.气缸系统气缸系统位于主轴的后端，其上方装有气接头，通入一定压力的气体后，气缸即瞬间打开运动。
与拉刀系统配合后，夹头即打开，完成换刀的功能。
6.气封系统由于主轴长期在机床中切削，切削时的切削液每时每刻都反弹到主轴表面上，主轴必须具备高度密封性。
60E在设计时，已对密封性作了详细的考虑，在主轴加工时，仅需在气封接头上通入低压力的压缩空气(0.15MPa)，即可实现密封功能。
此系统已获得国家实用新型专利201320743961.2。
以上各系统紧密结合，紧凑地组成60E电主轴且维护方便，使60E具有广泛的应用性及可靠性。
主轴内部的轴芯结构已获得国家实用新型专利201320893834.0，主轴整体结构已获得国家实用新型专利201120085351.9。
近几年内昊志机电60E电主轴相继获得广东省高新技术产品奖、国家重点新产品证书奖、广州市科学进步奖、广东省科学技术奖等。
数控高速电主轴技术及其发展趋势
的技术难点 、存在问题 、发展现状 ，并提出了我国电主轴技术发展方 向。 关键 词：高速加工 ；电主轴 ；数控机床
中图分类号 ：Ｔ ５ ９ １ Ｇ １ ． 文献标识 码 ：Ａ 文章 编号 ：１０ ３８ （０ ６ ０— ２ ３ ０ １— ８ １ ２０ ）１ ２ ８—
Ｔｅ ｈ ｏｏ ｙ ａ ｄ Ｄｅ ｅｏ ｉｇ Ｔ ｅ ｄ ｏ ｇ —ｓ ｅ ｄ Ｅ ｅ ｔｏ ｉ ｐ ｎ ｌ ｆＮＣ Ｍ ａ ｈ ｎ ｏ ｌ ｃ ｎ ｌｇ ｎ ｖ ｌｐｎ ｒ ｎ ｓｆｒ Ｈｉ ｈ ｐ ｅ ｌｃｒ ｎ ｃＳ ｉ ｄ ｅｏ ｃ ｉｅ Ｔ ｏｓ
Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｈｉｈ—ｓ ｅｄ ｃ ｔｎ ； Ｅｅ ｔ ｎｃｓ ｉｄｅ； Ｎ ｃ ｉｅｔｏｓ ｙ ｒｓ ｇ ｐ ｅ ｕｔ ｇ ｉ ｌｃｒ ｉ ｐｎ ｌ ｏ Ｃ ｍａ ｈｎ ｌ ｏ
０ 前言 以高切削速度 、高 进给速度 、高加 工精度 为主要
特征的 当代四大先 进制造技术 之一 的高速加 工技术 ， 是继数控技 术之后 ，使制造技术产生第二次革命性飞 跃 的一项高新技术 ” 。它不仅具有极高 的生产率 ，而
且可显著地提高零 件的加工精度和表面质量 。 要发展和应用高速加 工技术 ，超高速数控机床是 实现超高速加工的物质基 础，而高速主轴又是超高速 数控机 床 的 “ 心” 部件 ，它 的性 能直接 决 定 了机 核
现 了机床主轴 系统 的 “ 零传 动 ” 。它 具有 高转 速 、高 精密 、噪声低 、低 温升 、体 积小 、安 装方便 等特 点 ， 是现代高档数控机床 主要 的关键部件 。 它与早年 应用 于内圆磨床 的内装式 电机主轴 的区 别是采用 了变频调速技术 ，主轴有较大 的驱动功率和 转矩 ，并有一 系列监控 主轴振动 、轴承 温升等参数 的 传感器及其检测控制 系统 。因此电主轴及驱动 系统 是一种技术含量很 高 的机 电一 体化产 品 ，涉及 机械 、 电机 、驱动 与控制 、支承 、润滑 、材料热处理及振动 等诸 多领域 ，是一 套相对独立 、完整 的智 能型功能部 件。它直接依赖 于高速轴 承技术 、油气 润滑技术 、精 密制造与装 配技术 、电机设计 与制造 、高速驱动 与精 密数控等技 术 。它具有 以下的特 点 ： （ ）采 用交 流 变 频 调速 ，主轴 的 Ｄ １ ＭＮ值 达 到 １０万 以上 ，并 且有大功率 、宽调速范围的特性 。 ５ （ ）结 构 紧凑 ，机 械效 率 高 ，噪声 低 ，热 振动 ２ 小 ，主轴的 回转精度高 。 （ ）运行平 稳 ，没有冲击 ，主轴轴承寿命较 长。 ３
电主轴助力高精高速高效加工——我国高性能机床主轴技术现状分析
径向刚度＞ ０ ｉ。湖南大学针对超高速外圆／ ５０Ｎ・ ｎ 凸
轮轴 磨 床 开 发 了 电动机 内 置式 液 体 （ ）静 压 电主 动 轴 ，额 定 功率 和 最 高 转 速 达 ３ ｋ 、 １ ０ ｒ ｎ ５Ｗ ０Ｏ ０／ ， ｍｉ
国际先进水平 ：在Ｐ Ｂ Ｃ 板高速钻削用电主轴领 域 ，已大面积推广应用１０００ ８ ０ ｒ ｎ ２ ～１０００／ 气静压 ０ ｍｉ
现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提
高 ，机 床 对 主轴 性 能 的要 求 也 越 来越 高 ，传统 的 高 速主 轴 概 念 已难 以 充分 描 述 机 床 主轴 的 技 术 内涵 。
磨损小 ，寿命长 ，在精密超精密机床上获得 了广泛
应 用 ，其 主 要技 术 难 点 在于 控 制 高 速 时主 轴 的 温 升 和 热变 形 。气体 轴 承 电主轴 以 “ 膜 ”作 为 支 撑 ， 气
Ｏ ６ ，
参磊‘ ‘ 加 ，两 Ｉ 朋 Ｉ 。 冷 工 。— 冲 ，
Ｅ
用 油 气 润 滑 和 强 制 水 冷 方 式 。 沈 阳 建 筑 大 学 开 发 限 公 司开 发 了系 列 （ ）静 压 主 轴产 品 ，额 定 功率 动
高 速大功 率 陶瓷 球轴 承 电主轴单元 最高转 速达 到
我国高性能机床主轴技术 现状分析
湖 南大学国家 高效磨 削工程 中心教 授 熊万 里
优 点 ，其 极 限转 速 高 、精 度 高 、刚 度 高 ，在 加 工 中
高性能机床主轴概述
机 床 主 轴是 机 床 的 核 心部 件 ，其 功 能是 带 动 刀 具 （ 轮 ）或 工件 旋 转 ，实 现 高 速精 密加 工 。随 着 砂
具 有轴 承动 态 预 紧 调 整 功 能 。 ③平 均 无 故 障运 行 时 间 ≥５Ｏ ０ 。 ④主 轴 回转 精 度 ＜ １ ｍ。⑤轴 系统 ０ｈ ． ０ 刚 度 ≥３ ０ Ｉ。 ⑥动 平 衡 精 度 Ｇ ．级 。⑦ 恒 功 ０ Ｎ・ Ｔ Ｉ Ｏ４
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术之一。电主轴的上轴、前后轴承盖等的制造Ｔ艺
要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回
转精度和刚度，这些数控机床的关键零件必须进
行精密加工或超精密加工，其尺寸误差一般在微 米级或更小；对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都 有极严格的要求。为了制造这些高精度零件，国外 电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工 设备，如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨 床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床等，同 时还配备了高精度测试设备。在国内，如陶瓷轴
刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。
在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加 工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高 的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴 单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加 工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动 时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主 轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命， 影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有 较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振动问题 是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择，这是因 为： （１）如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传
高速电主轴对数控机床的影响
成都托普数控机床公司的ＰＭＣ６００高速立式加工
中心，大连机床集团有限公司的ＤＨＳＣ５００高速卧 式加工中心，沈阳机床股份有限公司的ＢＷ６０ＨＳ／ ｌ卧式加工中心等。 高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发 展，带动了相关技术及数控功能部件的专业化生 产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控 刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库 和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的核
Ａｌｍｌａｅｔ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ，ａｎｄ ｈａｓ
ｇｒｅａｔ
ｉｍｐａｃｔ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔ００１．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｈａｓ
主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采
用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。美国Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公
司采用液体动静压轴承，最高转速达到４０ ｍｉｎ；瑞士ＩＢＡＧ公司磁悬浮轴承最高至ｌＪ２００
０００ｒ／ ０００ｒ／
ｍｉｎ。目前国内高速电主轴用轴承主要依赖进口， 也有一部分采用国产的钢质角接触球轴承，但寿 命有待进一步提高。 ３．３精密／Ｊｎ Ｔ与精密装配工艺水平高 精密加工和精密装配工艺是电主轴的核心技
承、异步型电动机转子等电主轴的关键零件制造 中的关键问题还没有得到很好的解决，影响了数
控机床的制造水平。 ３．４配套控制系统水平高
这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承
油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精 密控制系统等。例如，瑞士Ｆｉｓｃｈｅｒ公司和德国 Ｈｏｆｍｍｍ公司生产电主轴配套的在线自动平衡系 统，可以在线自动校正偏心，大幅度降低电主轴高 速运行情况下的振动；ＳＫＦ公司和ＮＳＫ公司生产 的轴承油气润滑系统，可以通过定时定量控制进 气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平。 ４
微电子器件和计算机技术的发展，产合陶瓷 球轴承的出现，使得在２０世纪８０年代末、９０年 代初出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加 工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的 加工中心的主轴转速目前己普遍达到１０
ＯＯＯｒ／ｍｉｎ
第３１卷第２期
２ ０ １
０年６月
哈 尔 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ
轴 滨 承 ＨＡＲＢＩＮ ＢＥＡＲＩＮＧ
Ｖ０１．３ｌ
Ｎｏ．２
Ｊｕｎ．２ ０ １ ０
数控机床高速电主轴技术及应用
每 荡
（洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳４７１０３９）
摘要：高速电主轴是高速机床的核心部件，对数控机床的技术进步影响较大。文章介绍了高速电主轴的结构组 成和发展历程，总结了高速电主轴对数控机床的重要影响。 关键词：高速电主轴；数控机床；技术；发展 中图分类号：ＴＧ５９６；ＴＭ３３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４８５２（２０１０）０２—００４６—０３
０００
ｒ／ｍｉｎ，功率为８０ ｋＷ。
ｄ，：ｆＬ的高频电主轴，当时的变频器采用的是真空 电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。 随着高速切削发展的需要和功率电子器件、
目前世界各主要工业国家均有装备优良的专 业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心 和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂 家有：瑞士的ＦＩＳＣＨＥＲ公司、ＩＢＡＧ公司和 ＳＴＥＰ—ＴＥＣ公司，德国的ＧＭＮ公司和ＦＡＧ公司， 美国的ＰＲＥＣＩＳＥ公司，意大利的ＧＡＭＦＩＯＲ公司 和ＦＯＥＭＡＴ公司，日本的ＮＳＫ公司和ＫＯＹＯ公 司，以及瑞典的ＳＫＦ公司等。高速电主轴生产技 术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展 与应用。 从８０年代中后期以来，商品化的超高速切削 机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床 发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中
ｉｎ ｍｏｔｏｒ
中网机床工具行业近几年的快速发展，受到
世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术发展 主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在 高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得 了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种 发展上进步明显。在ＣＩＭＴ２００３届展会的高速加 工中心展品有３０多台，占参展国产加工中心总数 的３０％。在高速加Ｔ中心展品中，宁江机床集团 公司的ＮＪ一５ＨＭＣ４０卧式加工中心最高主轴转速 达４０ ０００ｒ／ｍｉｎ，快速行程达６０ｍ／ｒａｉｎ。在高精度 产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，
均应达到预定的要求。在传统的电主轴设计中，由 于缺乏必要的分析计算，只能等产品加工出来后
再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不 能满足预定的要求，则要修改设计，重新制做，这 样必然导致产品的设计周期长，并且成本高。而现
代设计方法则要求在设计过程中通过一些分析计
算就应能够预测出主轴、轴承以及轴系的静、动态 性能指标，在产品加工出来以前就能知道设计是
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｌｉ Ｙａｎ
（Ｌｕｏｙａｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
心组成部分。主机技术水平的不断提高，要求配套 的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部 件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会
配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的 技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。没有 高质量的功能部件，数控机床的迅速发展也将成 为一句空话。 国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在 主机上的应用。我国数控机床的发展历程充分证 明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我 国数控机床发展的瓶颈问题之一。功能部件跟不 上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体 技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能 部件产业的支持。要抓住目前的黄金发展机遇，学 习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同 为做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床 的发展而努力奋斗。
甚至更高。１９７６年美国的Ｖｏｕｇｈｔ公司首次推出一 台超高速铣床，采用了Ｂｒｙａｎｔ内装式电机主轴系 统，最高转速达到了２０ ０００ｒ／ｍｉｎ，功率为１５ｋＷ。 到９０年代末期，电主轴发展水平是：转速４０
收稿日期：２０１０－０２－０３． 作者简介：李彦（１９８２一）．男，助理工程师 ０００
心等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推
ｏｎ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ
ａ
ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ
ｏｎ
ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ
ｔｈｅ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔ００１． ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ；ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ
Ｋｏ／ｗｏｒ凼：ｈｉ曲一ｓｐｅｅｄ
ｔｏｏｌ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
１
前言
高速电主轴的发展历程 早在２０世纪５０年代，就己出现了用于磨削
ｒ／ｍｉｎ，功率４０ ｋＷ（即所谓的“４０＿４０水平”）。但 ２００１年美国Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ公司为宇航工业生产了 ＳｕｐｅｒＭａｃｈ大型高速加工中心，其电主轴最高转速 达６０
并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加 工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥ｌｏ ０００ｒ／ｍｉｎ的主轴系统，并相应具有高的角加（减）速 度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造 业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主 轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向 跳动小于１或２“ｍ，轴向窜动小于１斗ｍ。此外， 主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削 负荷和保持高的回转精度。 高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机 床主轴与变频电机轴合二为一，即将主轴电机的 定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装 式电主轴（ｂｕｉｌｔ ｓｐｉｎｄｌｅ），其间不再使用皮 带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传 动”。电主轴典型的结构如图１所示。高速电主轴 的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改 善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主 轴单元的理想结构。 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架 四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部 分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在 很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加 工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于 主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动 平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相 互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转 矩的矛盾等。 从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的 单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中 心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类 型。电主轴技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电 机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和