高速电主轴技术

高速电主轴技术

摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量。高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。

关键词：高速电主轴；高精度；数控机床

The Technology of High-speed Motorized Spindle

Abstract:Based on the development of high-speed motorized spindle and the main structure of the motorized and the key technologies in the manufacturing process of high-speed motorized spindle,it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine. Practice has proved that high-speed processing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface quality. High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on the performance of CNC machine tools .

Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine tools

1 高速电主轴的发展历程

早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴，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、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器，加上混合陶瓷球轴承的出现使得20世纪50年代末、90年代初的时候出现了用于铣削、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，中等规格加工中心的主轴转速目前己普遍达到10000r/min甚至更高。1976年美国V ought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20000r/min，功率为15KW，到90年代末期，电主轴发展的水平达到了转速20000r/min ,功率40KW，（即所谓的“40-40水平”）。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60000r/min，功率为80KW。

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心等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推出了自己的超高速机床。其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削

机床的研究和开发方面后来居上，现己跃居世界领先地位。日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。在我国，也开始有厂家生产超高速机床。

中国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30台，占参展国产加工中心总数的30%。在高速加工中心展品中，宁江机床集团公司的NJ-5HMC40卧式加工中心最高主轴转速达40000r/min，快速行程达60m/min。在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，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/1卧式加工中心等。

2 高速电主轴的结构组成以及设计制造中的关键技术

2.1高速电主轴结构

数控机床的高速主轴具有高回转速度，但这并无严格的界限。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≥10000r/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1um或 2um，轴向窜动小2um，此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷并保持高的回转精度。

高速机床的核心部件是高速电主轴，它将机床主轴与驱动电机合二为一，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，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”。高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可减少主轴振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。高速电主轴的结构如下图1所示。

图1 电主轴结构示意图

尽管将主电机内置于机床主轴箱中会带来很多问题，但在高速机床上这几乎是唯一的选择。这是因为：

（1）如果电机不内置，则在高速下由皮带和或齿轮等中间传动件产生的振动与噪音等问题很难解决，会大大降低高速加工的精度和表面质量，并对车间环境产生严重的噪声污染。

（2）高速加工对主轴运转的角加速度有极高的要求，实现这一严酷要求最经济的方法，就是尽可能把传动系统的转动惯量减至最小。而为了达到这个目的，只有将电机内置，取消齿轮、皮带等一系列中间传动环节。

（3）和皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率，即提高机床的临界转速。这就使电主轴运转在最高转速时，仍可远离机床的临界转速，确保不发生共振，这点对高速加工的安全尤为重要。

（4）结构简单紧凑，容易做成独立的功能部件，可由专业厂进行标准化、系列化生产。机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可方便的组成各种类型、各种性能的机床，包括多轴联动机床，多面加工中心和并联机床等。

高速电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。高速电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，电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是高速、高效、高精度数控机床发展的一种趋势。电主轴技术包括主轴机械体、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、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。

电主轴是高速机床的“心脏部件”,是高速精密且承受较大的径向和轴向切削负荷的旋转部件。轴承作为其关键的支承技术首先必须满足高速运转的要求, 并且有较高的回转精度和较低的温升;其次,必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。此外,还要具有较长的使用寿命, 特别是保持精度的寿命。因此,轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。目前使用在高速主轴中的轴承主要有以下4种：液体静压轴承、空气静压轴承、磁悬浮轴承。使用这4种轴承的架构的高速主轴有不同的转速特征及承载能力。

（1）使用液体静压轴承的高速主轴。液体静压轴承运转时，在轴颈处形成高压油膜，把轴悬浮抬起，形成液体摩擦，使主轴能高速运转。通过对液体静压轴承元件的几何形状进行优化设计，转速特征值可达1.0×106mm.r/min；若轴径

为30mm的主轴，其最高转速可达3000r/min以上。

液体静压轴承主轴的运动精度很高，回转误差一般在0.2um以下。不但可以提高刀具的使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度值。制造模具时，使用液体静压主轴的液体摩擦损失大，故驱动功率损失比滚珠轴承大。同时为减少高速运转发热，静压轴承的轴径不宜过大，这类高速主轴其径向刚度较低，但轴向刚度能过超滚珠轴承主轴。因此，选用何种轴承必须根据具体应用要求来定。

（2）使用空气静压轴承的高速主轴。空气静压轴承能在轴颈处形成高压气膜，降低摩擦，实现主轴高速运转。空气静压轴承高速主轴的转速特征值可达2.7×106mm.r/min，回转误差在0.05um以下，最高转速可达10000r/min。采用金刚石刀具可以进行镜面铣削，加工各种复杂的高精度面。空气静压轴承高速主轴的优点在于高回转精度、高转速和低温升，因而主要适合工件形状精度和表面粗糙度有高要求的场合。

（3）使用磁悬浮轴承的高速主轴。磁悬浮轴承利用磁力把轴颈抬起运转，能使主轴达到更高的转速，转速特征值可达4.0×106mm.r/min，为滚珠轴承主轴的两倍。目前使用的磁悬浮主轴的回转精度可达0.2um。磁悬浮主轴的优点是高精度、高转速和高刚度；缺点是磁悬浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。

（4）使用混合陶瓷轴承的高速主轴。用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r ／min。它的标准化程度高，便于维护，价格低，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件。

2.2电主轴设计制造过程中的关键技术

电主轴在设计生产过程中会遇到很多的技术性问题，其中要解决的关键技术问题主要有：内置电机的散热问题；高速轴承的类型选择及润滑技术；主轴回转组件的动平衡设计；主轴电机驱动控制模块的选择；主轴端部与刀柄的接口技术等。

内置电机散热问题是电主轴特有的技术难题，处理不好会造成主轴过高的温升，影响机床工作的可靠性和所能达到的最高转速。目前解决这个问题有两条路径：（1）对于交流感应式电机，可以在电机定子外面加装一个铝制圆环，圆环外表面有螺栓槽。工作时，可将循环冷却液（油或水）通入该螺旋槽中，从而把电机定子产生的热量带走。但转子产生的热量（约占电机总热量的1/3）很难全部带走；（2）采用交流永磁式主电机，这种电机的转子用包含稀土元素的永久磁铁制成，转子不发热，从而可大大改善电主轴的发热特性，可用风冷代替上述液冷装置，而且结构紧凑、扭矩大，可扩大空心主轴的内孔直径，当用于卧式数控车

床或车铣中心时，还可以提高棒料的通过能力。

电主轴是一种超高速运转部件，结构上微小的不平衡量，在高速下都会产生巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。因而电遵循主轴设计必须严格对称设计原则，键连接和螺纹连接在这里被禁止使用。转子和主轴之间用过盈配合实现扭矩的传递，主轴、主轴上的零件和主轴箱都必须经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件的动平稳度达到G0.4级以上的水平。

图2 扭矩-功率特性

这种无外壳主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。其扭矩、功率与转速的关系如图2所示。对于普通变频器（图2a），其控制特性为恒扭矩驱动，输出功率与转速成正比，这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足低速大扭矩（粗加工）的要求，也不具备主轴准停和C轴控制功能，但价格便宜，一般用于磨床、小孔钻床、雕刻铣和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性如图2b所示。其控制特性是：低速段为恒扭矩驱动，中高速段为恒功率控制。这种驱动器在0转速时仍有很大的扭矩，再加上电主轴的惯性很小，因此可实现主轴启动时瞬间（1~2秒）达到最高速。这种驱动器用角度传感器实现位置和速度的反馈，进行闭环控制，可实现主轴准停和C轴控制。这种驱动器一般用于高速加工中心和车削中心。

在高速加工中还需要注意一个特殊问题就是电主轴与刀具的联接。一般通过刀柄作为机床主轴与刀具的接口。不正确的接口结构，会影响机床主轴的动平衡和高速切削的可靠性。标准的7/24的锥形联接有许多优点：因不自锁，可实现刀具的快速装卸，这点对加工中心尤为重要；刀柄的椎体在拉杆轴向拉力作用下紧紧地与主轴的内锥孔接触，可以减少刀具的悬伸量。此外它只有一个尺寸（锥角）需要加工，所以成本较低，目前应用非常广泛。但是7/24锥形联接在高速旋转时有一个致命的缺点：主轴空心锥孔端部的扩张量大于实心刀柄的扩张量，造成刀具的轴向变位和径向振摆，更严重的是影响了高速加工的可靠性与安全。

在高速电主轴与刀具接口的研究中，目前较成功的是德国的HSK型刀柄和美国的KM型刀柄，他们都摒弃了原有的7/24标准锥度。其中以HSK刀柄更为流行，并已纳入国际标准。HSK空心刀柄由1/10短锥面（径向）和法兰端面共同实现与电主轴的轴向定位和刚性连接，较好地解决了7/24锥柄刀具存在的上述问题。

3 高速电主轴对数控机床的影响

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。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；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。

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。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。

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。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一，是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。

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