数控机床高速电主轴结构分析
烟台工程职业技术学院 徐海峰 264006
[摘要] 本文阐述了高速电主轴的特点，然后根据结构简图详细叙述其工作原理，最后分析了高速电主轴由于结构紧凑带来的一些关键技术问题，并提出了解决办法。
[关键词] 高速加工 电主轴 数控机床
主轴是直接体现机床性能的关键部件。目前，数控机床大量采用内装变频电动机的主轴部件。它是一种机电一体化的功能部件，其电动机转子与主轴是一体的，无需任何机械连接。改变供电的频率，就可以实现主轴调速。
这种模块化、系列化的功能部件称为电主轴。通常由具有设计和制造高速、高精度、变频调速电主轴丰富经验的专业公司提供，产品质量和供货容易获得保证。
一、高速电主轴的特点
高速运转的电主轴的主轴形式是将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件的内部,即把高速电机置于精密主轴内部,电主轴的电机转子就是主轴,主轴的壳体就是电机的机座,实现了变频调速电机和主轴一体,电机直接驱动主轴,形成电主轴。电主轴取消了电机到主轴传动链中的齿轮、皮带等一切中间环节,动力源对主轴的直接传动,传动链长度为零,实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。
二、结构简图及工作原理
主轴电动机和机床主轴合为一体的电主轴,通常采用的是交流高频电动机,也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。图1所示为电主轴的结构简图,其主要特征是将电动机内置于主轴内部直接驱动主轴,实现电动机、主轴一体化的功能。电主轴由无外壳电机、主轴、轴承、主轴单元壳体、驱动模块和冷却装置等组成。电机的转子采用压配方法与主轴做成一体，主轴则由前后轴承支承。电机的定子通过冷却套安装于主轴单元的壳体中。主轴的变速由主轴驱动模块控制,而主轴单元内的温升由冷却装置限制。在主轴的后端装有测速、测角位移传感器，前端的内锥孔和端面用于安装刀具。
工作原理和普通的异步电动机的工作原理一致,改变输入电动机定子绕组的电流频率和励磁电压获
得各种转速。在加速和制动过程中,通过
改变频率进行加/减速,以免电动机温升过高。由于电动机旋转磁场的方向取决于输入定子三相交流电的相序,故改变电主轴输入电流的相序,便可改变电主轴的旋转方向。
1.电源接口 2.电动机反馈 3.后轴承
4.无外壳主轴电动机 5.主轴 6.主轴箱体 7.前轴承
图1 电主轴的结构简图
三、关键技术
从图1中可见，电主轴的结构十分紧凑，通常又在高速下运转，因而它的关键技术是如何解决它的发热问题。
电主轴的温度使其稳定在电主轴中有两大热源:内置电动机的发热和主轴轴承的发热。分析检测结果表明,转子的温度可高达140～160℃,定子温度也可达到45～85℃。图2所示为高速主轴单元冷却系统图,为了尽快给高速运动的电主轴散热,通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂,严格控制一个恒定值内。
图2 高速主轴单元冷却系统图
以德国CyTec公司的CySpeed系列高速电主轴为例，它的功率范围为10~60kW，最高转速为8000~40000r/min。它可具有四种不同功能的冷却回路：
1）主轴冷却：主轴冷却回路是为了避免主轴前端伸长以及保护主轴轴承。它的目的是保持主轴温度恒定，使其与转速无关，因而可以保证主轴的精度不受电动机发热的影响。
2）电动机冷却：电动机冷却回路是为了加强电动机对外部的散热能力，使主轴部件的壳体保持为室温状态。
3）刀具冷却：刀具冷却是选用件，可以任意选用外部冷却或者内孔冷却，或者内外同时冷却。
4）刀具内孔冷却：采用通过刀具内孔冷却时，冷却液在80kPa的压力下通过旋转分配器中间的孔道，打开单向阀，从刀柄（包括刀具）的中间孔喷出。为了尽快给高速运行的电主轴散热,通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂,用循环冷却剂吸收和带走电机产生的热量,保持电主轴单元壳体均匀的温度分布。冷却装置的作用是保持冷却剂的温度,电主轴常用的冷却剂是水。电主轴在最高转速时,噪声一般应低于70～75dB (A)。
综上，电主轴的出现，很好的适应了超高速加工的要求，并将逐步取代传统的机床主轴系统。
主轴电机在电主轴中中的应用
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必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，这种情况下出现了HSKSKI等高速刀具。高频变频装置：要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速。机床附件变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，数控冲床与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把
高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，包括电主轴本身及其附件：电
主轴、数控机床高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。电主轴所融合的技术：高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，机床附件内外圈不接触，理论上寿命无限；数控冲床高速电机技术：电主轴是电动机与主轴电机融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。
机床附件与直线电机技术、高速刀具技术一起， 电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术。数控冲床会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。机床附件所融合的技术：高速轴承技术：数控冲床电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，数控机床内外圈不接触，理论上寿命无限：高速电机技术：电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。数控冲床关键技术是高速度下的动平衡；润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；数控冲床也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。
就是通过一个叫定量阀的器件，所谓定量。数控机床精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。机床附件油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。冷却装置：为了尽快给高速运行的电主轴散热，数控冲床通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。自动换刀装置：为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；高速刀具的装卡方式：广为熟悉的BTISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。
发布日期：2010-11-8 电主轴关键技术的研究
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高速加工技术越来越受到人们的关注，它不仅可获得更大的出产率，而且还可获得很高的加工质量，并
可降低出产本钱，因而被以为是21世纪最有发展前途的提高前辈制造技术之一。在提高前辈产业国家，此项技术已广
泛应用于航空、航天及模具行业。在近五年中，我国的该项技术也取得了长足的提高。
高速轴承技术，电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无穷；
高速电机技术，电主轴是电念头与主轴融合在一起的产物，电念头的转子即为主轴的旋转部门，理论上可以把电主轴看作一台高速电念头。枢纽技术是高速度下的动平衡；润滑，电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间距离注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发烧。冷却装置，为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以轮回冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现正确的相角控制以及与进给的配合。自动换刀装置：为了应用于加工中央，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；高速刀具的装卡方式：广为认识的BT、ISO刀具，已被实践证实不适合于高速加工。这种情况下泛起了HSK、SKI等高速刀具。高频变频装置： 要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必需用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电念头，变频器的输出频率必需达到上千或几千赫兹。
电主轴是最近几年在数控机床领域泛起的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术电主轴是最近几年在数控机床领域泛起的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。
西安合升机电科技公司是目前国内唯一一家生产永磁同步电主轴和主轴电机的高科技公司，凭着先进的技术，合升公司维修进口电主轴。我公司以“修理周期短、质量好、终身跟踪服务、价格合理” 深受广大用户的欢迎。我们还将不懈努力，争取把此项业务做得更好。 电主轴常见故障分析 电主轴出现故障大致可分为机械故障和电气故障两大类。常见故障包括以下六个方面： ① 电主轴升温过高 ② 电主轴刚性差 ③ 电主轴振动大
④ 电主轴精度差 ⑤ 电主轴启动困难 ⑥ 电主轴掉速 电主轴常见故障的检测与维修 ① 电主轴电机检测 ② 电主轴电参数测试 ③ 电主轴径
跳测试、端跳测试以及锥跳测试 ④ 电主轴轴承预负荷加载测试 ⑤ 电主轴震动与噪声测试 ⑥ 电主轴升温测试 ⑦ 电主轴转子动平衡测试及平衡调整 ⑧ 电主轴拆卸、部件清洗、校正、修理、更换（一般小零件）， 以及装配 ⑨ 电主轴电机修理，线圈修理 ⑩ 电主轴换装轴承 ?电主轴冷却系统测试与修理 我们维修过的国外品牌的电主轴有： 一、瑞 士： ① IBAG（依柏格） ② Step-Tec（斯戴伯·提可） ③ Flscher（非薛尔） ④ Starrag-Heckert（斯大理格·黑可特） 二、德 国： ① GMN ②Cytec(塞提可) ③ INA（依那） ④ FAG ⑤ FIMET（非木特） ⑥ precise (普若塞斯) 三、意大利： ① Gamfier(甘木非尔) ② Omlat（欧姆莱特） 四、瑞 典： ① SKF 五、其他：（FANUC、ELTE S。R。L。、HSD、GAMFIOR、GAMFIER、FOEMAT、FAEMAT、 TEC、RENAUD、Fischer、IBAG、SEIKO、NSK、Mitsui、HPT、WEISS 、KaVo、IMT、GMN、CyTec、健椿、杰川、矩将、罗翌、普慧、普森、数格、惟隆、旭泰等）维修服务。 高质量维修-------自始自终! 西安合升动力科技有限公司 地址：西安市高新技术产业开发区锦业路66号B座北区 邮编：710075 电话：029-******** 传真：029-******** 联系人：孙小姐 E-mail：Hsjd2006010@https://www.doczj.com/doc/1518673811.html, KENTURN台湾“健椿”成立于1983,产品除了在台湾销售,亦外销至欧美和东南亚市场.产品种类多达4000种.主要产品区分为:立式/卧式加工中心主轴、高速直结式主轴、CNC数控车床主轴、磨床主轴、专用机主轴、同步夹具、PCB刀具研磨主轴、十字转向器。为提供客户更好的产品和扩大生产规模,于2004年6月迁入2000坪新式无尘式厂房.全厂采央式空调全厂维持恒温25℃,确保制作过程中相关精密组件之公差。我们有最先进的机械加工设备，结合欧美加工技术再配合几十年加工技术经验，使我们的产品更为专精。健椿CNC加工中心主轴主要有以下特征：
1.主轴标准转速：8,000rpm,最高转速：15,000rpm;
2.主轴采用油冷却方式，有效维护主轴温升稳定；
3.良好之迷宫环设计，有效防止切削油和异物侵入；
4.可选配主轴环喷及中心出水装置；
5.主轴适应于MV500~MV2000立卧式加工中心机；
6.更有大型主轴适用于龙门加工中心机或搪铣加工中心；
7.主轴安装孔径在80mm至250mm之间；
9.小型主轴标配浮动反扣装置，大型主轴有预留浮动反扣装置。
10.主轴皆选用P4级之超精
密轴承，搭配最佳化跨距，适当之精密公差来设计。
11.主轴采用欧美CNC磨床设备加工，确保零组件品质。
12.主轴拉杆可使用BT、CAT、和DIN。
13.主轴动平衡均在G1以内。
14.主轴之检验、
组装、加工和运转测试均在无尘室环境中完成。
15．亦有标准大型BT60-?320主轴，规格齐全满足市场不同需求。
高速电主轴设计
近10年随着高速加工技术的迅猛发展和日益广泛的应用，各工业部门，特别是航空航天、汽车工业、模具加工和摩托车工业等，对高速数控机床的需求量与日俱增。美、日、德、意和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床，下表列出了近几年在国际机床市场上出现的几种著名品牌的高速加工中心。
新型高速加工中心表
制造厂家
(国别) 机床名称和型号 主轴最高转速
(r/min) 最大进给速度
(m/min) 主轴驱动功率(kW)
Cincinati Milacron(美) Maxim 500型
卧式加工中心 20000 28 12
Ingersoll(美) HVM800型高速
卧式加工中心 20000 76.2 45
Mikron(美) HSM700型
高速立式加工中心 42000 40 14
Ex-cell-O(德) XHC241型高速
卧式加工中心 24000 120 40
RODERS(德) RFM1000型加工中心 42000 30 20～30
Makino(日) A55-A128型
加工中心 40000 50 22
新泻铁工(日) VZ40型加工中心 50000 20 18.5
Mazak(日) Super-400H型
加工中心 25000 15 18.5
(a)无矢量控制
(b)有矢量控制
图1 扭矩—功率特性
一般说来，高速机床都是数控机床和精密机床，其传动结构的最大特点是实现了机床的“零传动”。从机床的主传动系统来看，这种传动方式取消了从主电动机到主轴之间一切中间的机械传动环节(如皮带、齿轮、离合器等)，实现了主电动机与机床主轴的一体化。这种传动方式有以下优点： 1、机械结构最为简单，传动惯量小，因而快速响应性好，能实现极高的速度、加(减)速度和定角度的快速准停(C轴控制)。
采用交流变频调速和矢量控制的电气驱动技术，输出功率大，调速范围宽。有比较理想的扭矩——功率特性(图1b)，一次装夹既可实现粗加工又可进行高速精加工。 实现了主轴部件的单元化，可独立做成标准化的功能部件，并由专业厂进行系列化生产。机床主机厂只需根据用户的不同要求进行选用，可很方便地组成各种性能的高速机床，符合现代机床设计模块化的发展方向。电主轴的机械结构虽然比较简单，但制造工艺的要求却非常严格。这种结构还带来一系列新的技术难题，诸如内置电动机的散热、高速主轴的动平衡、主轴支承及其润滑方式的合理设计等问题，必须妥善地得到解决，才能确保主轴稳定可靠的高速运转，实现高效精密加工。本
文结合我校高速电主轴的研制实践，探讨铣镗类高速大功率电主轴设计与制造中的有关问题。 1 电主轴的基本参数与结构布局电主轴的主要参数有：(1)主轴最高转速和恒功率转速范围：(2)主轴的额定功率和最大扭矩：(3)主轴前轴颈直径
和前后轴承的跨距等。其中主轴最高转速、前轴颈直径和额定功率是基本参数。电主轴通常装备在高速加工中心上，在设计电主轴时要根据用户的工艺要求，采用典型零件统计分析的方法来确定这些参数。机床厂对同一尺寸规格的高速机床，一般会分两大类型，即“高速型”和“高刚度型”分别进行设计。前者主要用于航空、航天等工业加工轻合金、复合材料和铸铁等零件：后者主要用于模具制造、汽车工业中高强度钢或耐热合金等难加工材料和钢件的高效加工。在设计电主轴时，还要注意选择有较好扭矩———功率特性和有足够宽调速范围的变频电动机及其控制模块。根据主电动机和主轴轴承相对位置的不同，高速电主轴有两种布局方式：
1.编码盘 2.电主轴壳体 3.冷却水套 4.电动机定子 5.油气喷嘴 6.电动机转子 7.阶梯过盈套 8.平衡盘 9.角接触陶瓷球轴承
图2 GD-2型电主轴
1.液压缸 2.拉杆 3.主轴轴承 4.碟形弹簧 5.夹头 6.主轴 7.内置电动机图3 主电动机位于后轴承之后的电主轴
1、 主电动机置于主轴前、后轴承之间。图2所示是我校研制的GD-2型高速电主轴，也是一般电主轴的基本结构形式。其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，出力大，较适用于中、大型高速加工中心，目前大多数电主轴都采用这种结构形式。
2主电动机置于主轴后轴承之后，如图3所示，即主轴箱和主电动机作轴向的同轴布置(有的用联轴节)。这种布局方式有利于减小电主轴前端的径向尺寸，电动机的散热条件也较好。但整个主轴单元的轴向尺寸较大，常用于小型高速数控机床，尤其适合于模具型腔的高速精密加工。有关电主轴前后轴承之跨距及主轴端部伸出量，应按静刚度和动刚度的要求进行计算。
2 电主轴的主要热源及其解决办法用于铣镗类高速加工中心的电主轴运转中的发热问题始终是人们关注的焦点。电主轴的内部有两个主要热源，一是内藏式主电动机，另一个是主轴轴承。 与一般的主轴部件不同，电主轴最突出的问题之一是内藏式高速主电动机的发热。由于主电动机旁边就是主轴轴承，电动机的发热会直接降低轴承的工作精度，如果主电动机的散热问题解决不好，还会影响机床工作的可靠性。图4所示为我校高速电主轴的外循环油% 水冷却系统。在主电动机定子的外面加
一带螺旋槽的铝质外套3(图2)，机床工作时，冷却油不断在该螺旋槽中流动，从而把主电动机的热量及时、迅速地带走。冷却油的流量可按主电动机的发热量进行计算。
图4 GD-2型电主轴的油-水热交换系统
1.润滑油箱 2、6.压力开关 3.定量分配器
4.喷咀 5.泵 7.压缩空
气
8.电磁阀 9.时间继电 10.压力表
图5 GD-2型电主轴的油-气润滑系统
同时，主轴轴承的发热也是电主轴的主要热源之一。由于电主轴的运转速度高，dm?n值大(dm—主轴前轴颈直径，mm：n—主轴最高转速，r/min)，因此对主轴轴承的动态、热态性能有十分严格的要求。除个别超高速电主轴采用磁悬浮轴承或液体动-静压轴承以外，目前国内外绝大多数高速电主轴都采用角接触陶瓷球轴承，其滚球用Si3N4材料制成，直径比同规格球轴承小1/3。这种材料具有密度小、硬度高、热膨胀系数小、弹性模量大等优点，使用这种轴承可使电主轴获得运转速度高(dm?n值高达2×106)、温升小、刚度大、寿命长等一系列优良特性。虽然这种轴承的价格比同规格同精度等级的钢质球轴承高2～2.5倍，但其使用寿命要高3～6倍，因此其性能/价格比并不差，容易被机床设计师接受。
为了进一步降低主轴轴承的温升，GD-2电主轴上采用了油-气润滑系统，如图5所示。 实测表明，在高速运转条件下，主轴轴承的温升比油雾润滑的温升可降低9～16℃，而且随着dm?n 值的增大，降温效果更好。 3 电主轴的动平衡设计电主轴的最高转速一般在10000r/min以上，有的高达60000～100000r/min，主轴运转部分微小的不平衡量，都会引起巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。因此必须对电主轴进行严格的动平衡。主轴及主轴上的零件都要经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件动平衡精度达到0.4级以上的水平。
1.转子内套 2、4.端盖 3.转子硅钢片
图6 高速电主轴转子的动平衡设计
在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称性原则，键连接和螺纹联接在电主轴上被禁止使用。如图2所示，电动机转子与机床主轴之间用过盈配合来实现扭矩的传递，过盈量应按所传递的扭矩来计算，其值有时高达0.08～0.10mm。主轴上轴向固定零件用的螺纹套也用与主轴有过盈配合的圆盘来代替。
设计这种过盈联接装置时，还必须考虑其拆卸的方便。如图6所示，安装硅钢片的转子内套1用铬锰弹簧钢制造，且其壁厚较小，故有较好的弹性。当需要把转子从主轴上拆卸下来时(为了更换已磨损的前轴承，见图1)，可用手提式高压泵将油从转子内套左端的小孔a压入，高压油进入内套的环形内孔e
后，即可将套1的内径胀大，这样就可把转子顺利地从主轴上拆卸下来。为了保持主轴结构的对称性，转子内套上也对称地加工了另一个小孔b。当从小孔a加压力油时，可用螺栓把小孔 b堵住。
为了使转子在装配后达到精确的动平衡，除了上述对称性设计以外，还必须采取下列两个工艺措施：一是转子硅钢片3
的外径D在装配前应留有一定的加工余量，当转子用热压法(转子一般加温到180～200℃)装入主轴以后，以主轴前、后轴颈为定位支承，把主轴装夹在车床上，对转子的硅钢片外圆D 进行最后的精车。另一个保证主轴动平衡的措施是在电动机转子的两个端盖2、3上，对称地加工出16～24个直径略有不同的螺纹孔c、d(M4 或M6)。当电主轴组装完毕后，根据动平衡机的测试结果，在一定的方位上，旋入相应的平衡螺丝并调节其旋入深度，直到完全达到动平衡精度后，用环氧树脂将这些平衡螺丝固化。
4 结束语电主轴作为高速数控机床最关键部件，其性能好坏在很大程度上决定了整台高速机床的加工精度和生产效率，因此各工业国家都十分关注高速电主轴的研究与发展，纷纷投入巨资，装备精良的加工和测试设备，建立恒温、洁净的装配环境，形成了不少电主轴的专业生产基地。
我国高速电主轴的设计制造技术刚刚起步，目前尚未形成批量生产规模，电主轴的各项性能指标和国外尚有较大的差距。为了加快我国高速加工技术的发展与应用，加速数控机床产品的更新换代，建议进一步组织力量对上述问题进行技术攻关，早日实现电主轴的专业化批量生产。