浅谈高速加工主轴单元制造技术
数控机床高速电主轴技术及应用
数控机床高速电主轴技术及应用湖南全宇工业设备有限公司摘要：高速电主轴部件是数控机床核心的功能部件，融合高速电机，精密轴承和驱动控制等关键技术，对数控机床的性能以及使用有较大影响。
高速电主轴技术的开发及应用，推动着数控机床自动化、系统化的发展，对机床的运行效果起到决定性作用。
本文从数控机床高速电主轴技术的发展以及应用切入，对主轴驱动控制技术进行系统分析和总结。
关键词：数控机床；高速电主轴；驱动控制技术高速电主轴作为数控机床的三大高新技术之一(高速电主轴，数控系统，进给传动)，随着数控技术及切削刀具的快速发展，越来越多的机械设备都向高速、高精、高效、高智能化发展，高速电主轴已成为高性能数控机床的核心功能部件，电主轴技术水平的高低和质量的优劣直接绝对和影响机床的品质、性能、工作效率及运行稳定性。
电主轴比起传统机械主轴具有明显的性能优势，同时电主轴的生命周期也更长，对于数控机床来说，有着不可替代的作用[[1]]。
表1：电主轴和机械主轴的对比一、高速电主轴的主要构成部分高速电主轴的主要构成部分包括：轴承、定子、转子、冷却系统、润滑系统和换刀机构等，相比于机械主轴，电主轴将电机和传动机构一体化，极大简化主轴的传动结构[[2]]。
二、高速电主轴的技术要点及应用（1）高速电主轴的高速精密轴承技术高速电主轴系统的应用与技术发展中轴承工艺大致分三类:滚动轴承、静压轴承、磁悬浮轴承。
滚动轴承具有刚度好，高速性能好，结构简单和标准化程度高等特点。
其中比较常见的是角接触轴承，角接触轴承的主要特性是构造简单、极限速度较快、摩擦力矩小，能同时承担径向与轴向的负荷，因此噪声较小。
静压轴承为非接触式轴承，具有磨损小，寿命长，旋转精度高和阻尼特性好等优点，静压轴承的电主轴动静态刚度好，但价格较高，维护使用复杂。
磁悬浮轴承与传统滚动轴承相比，不存在机械接触，具有磨损小，能耗低、寿命长和无需润滑和无油污染等特点，因此磁悬浮轴承特别适用于高度，真空，超净的特殊环境。
超精密加工与超高速加工技术
超精密加工与超高速加工技术第一篇：超精密加工与超高速加工技术超精密加工与超高速加工技术一、技术概述超高速加工技术是指采用超硬材料的刃具，通过极大地提高切削速度和进给速度来提高材料切除率、加工精度和加工质量的现代加工技术。
超高速加工的切削速度范围因不同的工件材料、不同的切削方式而异。
目前，一般认为，超高速切削各种材料的切速范围为：铝合金已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金达300m/min，钛合金达150-1000m/min，纤维增强塑料为2000-9000m/min。
各种切削工艺的切速范围为：车削700-7000m/min，铣削300-6000m/min，钻削200-1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技术主要包括：超高速切削与磨削机理研究，超高速主轴单元制造技术，超高速进给单元制造技术，超高速加工用刀具与磨具制造技术，超高速加工在线自动检测与控制技术等。
超精密加工当前是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm，表面粗糙度Ra小于0.025μ m，以及所用机床定位精度的分辨率和重复性高于0.01μm的加工技术，亦称之为亚微米级加工技术，且正在向纳米级加工技术发展。
超精密加工技术主要包括：超精密加工的机理研究，超精密加工的设备制造技术研究，超精密加工工具及刃磨技术研究，超精密测量技术和误差补偿技术研究，超精密加工工作环境条件研究。
二、现状及国内外发展趋势1．超高速加工工业发达国家对超高速加工的研究起步早，水平高。
在此项技术中，处于领先地位的国家主要有德国、日本、美国、意大利等。
在超高速加工技术中，超硬材料工具是实现超高速加工的前提和先决条件，超高速切削磨削技术是现代超高速加工的工艺方法，而高速数控机床和加工中心则是实现超高速加工的关键设备。
目前，刀具材料已从碳素钢和合金工具钢，经高速钢、硬质合金钢、陶瓷材料，发展到人造金刚石及聚晶金刚石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）。
数控高速加工技术简述
数控高速加工技术简述一、高速加工的技术优势高速加工在切削原理上是对传统切削认识的突破。
据资料介绍,在国外的高速加工试验中已经证实,当切削速度超过一定值(V=600m/min)后,切削速度再增高,切削温度反而降低,在切削过程中产生的热量进入切削并从工件处被带走。
试验条件下的测试证明了在大多数应用情况下,切削时工件温度的上升不会超过3℃。
相应地,在已给定的金属切除率下,当切削速度超过某一数值之后,实际切削力会近似保持不变。
经过理想的高速加工后,切屑变形及其收缩加工的实现与应用对航空制造业有着重要的意义。
高速加工自身必须是一个各相关要素相互协调的系统,是多项先进技术的综合应用,为此机床厂商应进行大力的开发研制,推出与高速加工相关的新技术设备。
二、数控高速加工的发展现状实用的高速加工技术跟随引进的先进数控自动生产线、刀具(工具)、数控机床(设备),在机械制造业得到广泛应用,相应的管理模式、技术、理念随之融入企业。
在我国航天、航空、汽轮机、模具等行业,程度不同地应用了高速加工技术,其间的差距在于国家对该行业投入资金、引进政策等支持的多少,以及企业家们对高速加工系统技术认识的深浅。
相对于汽车制造业而言,这类机械制造行业基本上是属于工艺离散型制造业。
其高速加工技术主要表征在对高速数控机床与刀具技术的应用上。
目前国内已引进的加工中心、数控镗、铣床主轴转速一般≤8000r/min(极少有12000r/min),快进速度≤40m/min。
对铸铝、锻铝合金体、高强度铸铁和结构钢件,多采用超细硬质合金、涂层硬质合金刀具材料和标准结构的各类刀具加工。
超硬刀具材料及专用结构刀具应用还较少,加之机床主轴转速偏低,一般不能进入高速切削领域。
以铣削加工为例,这些行业加工铝合金工件:切削速度1000m/min,进给速度15m/min,每齿进刀量0.35mm。
车削:切削速度700m/min。
铣削铸铁、结构钢(含不锈钢)工件:切削速度500m/min,进给速度10m/min,每齿进刀量0.3mm。
超高速超精密加工技术主要内容
加工方法及机理研究 刀具、 刀具、磨具的研究 加工装备技术研究 测量技术研究
超精密加工技术的应用 超精密加工技术的发展趋势
作 业
（1）超高速、超精密加工技术二者选择其一。 超高速、超精密加工技术二者选择其一。 （2）按照上述提纲要求查阅文献，然后归纳总结写出 按照上述提纲要求查阅文献， 文献综述” “文献综述”。 （3）要求条理清晰，内容精练，3000～5000字。 要求条理清晰，内容精练，3000～5000字 （4）必需手写，不能打印。 必需手写，不能打印。 （5）该作业作为本课程平时成绩的一部分，占15％。 该作业作为本课程平时成绩的一部分， 15％。
超高速超精密加工技术主要内容
一 超高速加工技术
超高速加工技术的内涵 超高速加工技术的关键技术（重点） 超高速加工技术的关键技术（重点）
加工机理研究 主轴单元制造技术研究 进给单元制造技术研究 刀具、 刀具、磨具研究
Байду номын сангаас
超高速加工技术的应用 超高速加工技术的发展趋势
二 超精密加工技术
超精密加工技术的内涵 超精密加工技术的关键技术（重点） 超精密加工技术的关键技术（重点）
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
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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
第三章先进制造工艺技术(超高速加工)
床身结构
➢落地式床身，整体铸铁结构，龙门式框架的 主轴立柱，尽可能由主轴部件来实现二轴甚 至三轴的线性移动。
➢由于刀具重量变化极小，在工件乃至工作台 不进行快速线性移动的情况下， 机床快速线 性移动的部件的重量近乎常量，更容易实现 快速加速和减速情况下的运动惯量及实现动 态平衡，减少由于动态冲击所带来的不稳定， 保证稳定的且更高的加工精度和产品质量。
内装式同轴电动机主轴温升
➢ 热升温引起主轴热变形的解决办法：采用电子传 感器控制温度，使用水冷或油冷循环系统，使主 轴在高速下成为“恒温”；而用油雾润滑、混合 陶瓷轴承等新技术，使得主轴可以免维护、长寿 命、高精度。
➢ 举例：STEP－TEC的电主轴采用了矢量式闭环控 制、高动平衡的主轴结构、油雾润滑的混合陶瓷 轴承，可以随室温调整的温度控制系统，确保主 轴在全部工作时间内温度衡定。
➢常用材料：涂层碳化钨硬质合金、碳(氮)化 钛硬质合金、陶瓷刀具材料、立方氮化硼 (CBN)、立方/六方复合氮化硼(WBN)和聚晶金 刚石(PCD)等。
➢各种常用材料的高速切削速度：铝合金 1000～7000m/min；铜合金900～5000m/min； 钢500～2000m/min;灰铸件800～3000m/min。 其进给速度范围一般为2～25m/min。
➢可获得高转速和高的加(减)角速度，转速达 到0～42000r/min，甚至更高。
➢结构简化，造价下降，精度和可靠性提高。 ➢噪声、振动源消除，主轴自身热源消除。 ➢回转精度高，摩擦振动小， ➢主轴箱成为紧凑、独立、方便移动的部件，
高速主轴系统和电主轴
（2）高速进给系统
图中直线电动机与滚珠丝杠加速度性能比较。滚珠丝杠从0至 25m/min，需时0.5s；而直线电动机从0至75m/min，只需 0.05s。电动机优良的加速性能较好。 直线电动机缺点：电动机发热、磁场对切屑和铁屑工具有吸附作用以 及成本较高。
浙江机电职业技术学院落
2.“零传动理论”
以往的机床，不论是普通机床还是数控机床，从动力源到执行部件， 要经过一系列的带、齿轮、离合器、联轴器、丝杠、螺母等中间环节， （转动惯量，元件要弹性变形，摩擦磨损和反向间隙）影响对运动指 令的快速反应。 解决方法：根本上解决问题，则最好取消从电动机到工作部件之间的 一切中间传动环节，使电动机和机床的工作部件合二为一，从而使传 动链的长度等于零，实现机床的“零传动” 零传动是现代高速机床的基本特征，它不但大大简化机床的传动与结 构，更重要提高机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。 电主轴是实现高速机床主运动系统“零传动”的典型结构。 直线电动机高速进给单元是高速机床进给系统实现“零传动”的典型 代表。
浙江机电职业技术学院落
5.2高速加工中心的结构特点
高速加工中心类机床具有一些共同的结构特点：即装备有高速主轴系 统和高速进给系统；同时，为了适应高速加工的需要，机床的其他结 构部件也要做一些相应改进。 高速主轴系统： 传统：带和齿轮传动主轴部件虽然有大功率、大切削转矩的特点，但 不能满足主轴高速旋转的要求。最大转速只能达10000r/min 左右 高速：采用电主轴结构。电主轴：将主轴和电动机集成在一起的结构， 取消了主传动链中的一切中间传动环节，简化机械结构。 制造：瑞士Fisher公司和德国GMN公司，90年代的水平是 40000r/min，功率40KW。美国Cincinnati公司为宇航工业生 产的电主轴转速高达60000，功率为80KW.
高速加工技术
手机外壳的加工
电脑键盘的制造
平板电脑外壳的铣削
电子元器件的微细加 工
06
高速加工技术的发展趋势和未来展望
高速加工技术的发展趋势
更高的切削速度：随着新材料和新工艺的不断发展高速加工技术将进一步提高切削速度提高加 工效率。
智能化和自动化：随着人工智能和机器学习技术的不断发展高速加工技术将更加智能化和自动 化实现加工过程的自动监控和优化。
高速加工技术采 用小切削力可以 减小工件变形和 振动提高加工精
度。
高速加工技术可 以快速切除工件 材料缩短加工时
间降低成本。
高速加工技术采 用先进的控制系 统和刀具能够实 现高精度的轨迹 控制和补偿功能 进一步增强加工 过程的灵活性。
04
高速加工的关键技术
高速切削技术
定义：高速切削 是一种在极高转 速下进行的切削 加工方法具有高 进给速度和高切 削速度的特点。
05
高速加工技术的应用案例
航空航天领域的应用案例
高速加工技术在航空航天领域的应用提高了零件的加工精度和效率。 在航空发动机制造中高速加工技术能够快速去除材料提高生产效率。 高速加工技术在航天器制造中得到广泛应用如卫星天线、太阳能电池板等。 高速加工技术能够满足航空航天领域对高精度、高质量、高效率的加工要求。
高精度加工技术
高速切削技术：通过高转速的刀具实现高效切削提高加工精度和表面质量。
超精密切削技术：采用超硬材料和纳米级切削参数实现超精密切削提高加工精度和表面光 洁度。
快速点磨削技术：通过高速旋转的磨头对工件进行快速点磨削实现高效高精度加工。
激光辅助加工技术：利用激光的高能量密度特性对工件进行快速、高精度的加工。
通过高速加工 技术可以实现 快速原型制造 和快速模具制 造缩短了产品 开发周期降低 了开发成本。