数控机床高速电主轴技术及应用

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。

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。

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。

机床高速电主轴原理与应用*杨军1,郭力1,卿红2(11湖南大学机械与汽车工程学院,长沙市410082;21湖南商学院计算中心)摘要:本文介绍了高速电主轴的工作原理和基本结构,同时着重介绍了高速电主轴的轴承,最后分析了高速电主轴的驱动和冷却润滑方式,综述其应用及发展前景。

关键词:主轴;轴承;润滑;机床中图法分类号:TH13312文献标识码:A文章编号:1001-3881(2001)4-043-20前言随着新世纪的到来,现代机械制造工业向高精度、高速度、高效率的方向飞速发展,对加工机床提出了更高要求。

这就需要可以高速运转的主轴部件系统)))高速主轴单元。

电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点,可以减少齿轮传动,简化机床外形设计,易于实现主轴定位,是高速主轴单元中一种理想结构。

现代的高速电主轴是一种智能型功能部件,它的种类多,应用范围日益广泛。

对电主轴的要求,来自以下几方面:(1)当前最盛行的工艺)))高速切削的需求。

(2)竞争日益剧烈的机床市场的需求,要求主轴的模块化和结构简化。

(3)加工复杂曲面的要求,需求有电主轴这样结构紧凑、占空间小的主轴部件。

1电主轴的基本结构和工作原理高速主轴单元是高速加工机床最为关键的部件。

高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴。

不同类型输出功率相差较大,高速加工机床主轴需在极短的时间内实现升降速,并在指定位置快速准停。

这就要求主轴有很高的角减速度和角加速度。

如果通过皮带等中间环节,不仅会在高速状态下打滑、产生振动和噪声,而且增加转动惯量,给机床快速准停造成很大困难。

目前,多数高速机床主轴采用内装式主轴电机一体化的主轴单元,即所谓内装式电机主轴(B uild-in Motor Spindle),简称/电主轴0。

它采用无外壳电机,将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内,转子和机床主轴的旋转部件做成一体,主轴的变速范围完全由变频交流电机控制,使变频电机和机床主轴合二为一。

电主轴结构组成与各功能介绍电主轴是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，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。

电主轴包括电主轴本身及其附件，包括高速轴承技术、高速电机技术、润滑、冷却装置、内置脉冲编码器、自动换刀装置、高频变频装置等。

电动机的转子直接作为机床的主轴，主轴单元的壳体就是电动机机座，并且配合其他零部件，实现电动机与机床主轴的一体化。

高速轴承技术：其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，理论上可以把其看作一台高速电动机。

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;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。

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热。

冷却装置：为了尽快给高速运行的主轴散热，通常对其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，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，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BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。

这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。

高频变频装置：要实现主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动其内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。