高速主轴系统和电主轴
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什么是电主轴？电主轴和机械主轴优缺点对比
什么是电主轴？电主轴和机械主轴优缺点对比电主轴电主轴是将机床主轴功能与电机功能从结构上融为一体的新型主轴部件，即将高速电机置于主轴部件内部，通过控制系统，使主轴获得所需的工作速度和扭矩，因而也被称为内装式电主轴。
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。
而电主轴本身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。
电主轴省去了皮带、齿轮或联轴器的传动环节，实现了机床主轴系统的“零传动”，是数控机床传动系统的重大变革；它克服了传统机械主轴在高速下打滑、振动和噪声大、惯量大等缺点，有效改善了主轴高速情况下的整体性能，具有机械主轴不可替代的优越性。
第一，由于电主轴由内装式电机直接驱动，省去了中间变速和传动装置，具有结构紧凑、重量轻、噪声低、振动小和转动惯量小等特点，可实现很高的速度、加速度及定角度的快速启停，且动态精度和稳定性更好，可满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要；由于没有中间传动环节的外力作用，电主轴工作时运行更加平稳，主轴轴承所承受的动负荷较小，延长了其精度寿命；利用交流变频和矢量控制技术，电主轴可在额定转速范围内实现无极变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。
第二，电主轴的电机内藏式结构使其从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，形成一个功能相对完整的“主轴单元”，从而促进了机床结构的模块化。
电主轴厂商根据机床的用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化的产品，供机床制造商选用，改变了传统机床厂商“大而全”的生产模式，缩短了机床的研发和生产周期，更加适应快速多变的市场环境。
此外，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化的生产能力，从而促进制造成本的降低。
第三，某些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和微孔加工机床等，由于加工工艺和加工对象的特殊性，其对主轴的转速、精度以及机床的结构都有特殊要求。
高速电主轴电动机——主轴系统的机电耦合动力学建模
新校园XinXiaoYuan高速电主轴电动机—主轴系统的机电耦合动力学建模张广宇（河南能源化工集团永城职业学院，河南永城476600）教育教学摘要：随着经济的发展，我国的制造业呈现出较为明显的发展形势，提高生产效率成为各个方面关注的重点，实现高速加工能够使这个问题得到较好的缓解。
想要实现这个目的，就需要选用高速机床。
高速电主轴是数控机床的核心部分，具备强耦合性质。
实际上，其在机电能量转换中，可以体现出机电耦合性质，能够对高速电主轴产生较为重要的影响，针对其进行动力学模型构建具有较为重要的现实作用。
关键词：高速电主轴电动机；主轴系统；机电耦合机电耦合系统具有机械与电磁的共同特性，其本身运作也涉及到两者之间的转换。
这种特性在各类机电系统中十分常见。
一般情况下，其本身运作频率和速度相对较为低下，可以忽视其电磁辐射。
但是，这种情况并不绝对，一旦其频率或速度达到一定程度，就会在发挥作用的过程中，产生相对较强的电磁辐射。
一、高速电主轴机电耦合分析从机电耦合的方向对高速电主轴进行分析，主要目的是为了对其动态性能进行较为必要的研究。
事实证明，此研究不仅具有重要的现实意义，也会在工程施工的过程中发挥重要的作用。
1.方法与内容在工程当中，机电耦合传动系统是各个部分的有机组合，具体来说，其两个主要组成部分分别为电机与机械传动轴。
由此可见，只要系统组成的两个部分存在，就会出现相应的机电耦合。
当前，其传动方式主要针对电机与负载进行添加，使其能够具备传动功能，比如链条、皮带等。
同时，负载和电机之间能够直接实现耦合过程。
这种运作方式能够产生较强的现实意义，避免故障及磨损的发生。
高速电动主轴传动方式属于直接耦合。
其本身与主轴本身存在一定关联，在构成方面体现出较为复杂的特性。
其内部包含各个部分的子系统，在运作过程中存在较多繁复耦合关系。
针对其进行建模考量可以运用分解协调法。
在这个过程中，比较容易出现各个部分之间的耦合变量存在较为明显差异的情况。
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。
第四章 数控机床主传动系统
（c）双列圆锥滚子轴 承。这种轴承的特点 是内、外列滚子数量 相差一个，能使振动 频率不一致，因此， 可以改善轴承的动态 性能。轴承可以同时 承受径向载荷和轴向 载荷，通常用作主轴 的前支承。
（d）带凸肩的双列圆 锥滚子轴承。结构 和图（c）相似，特 点是滚子被做成空 心，故能进行有效 润滑和冷却；此外， 还能在承受冲击载 荷时产生微小变形， 增加接触面积，起 到有效吸振和缓冲 作用。
4. 电主轴
电主轴又称内装式主轴电机，即主轴与电机转子 合为一体，其优点是主轴部件结构紧凑、重量轻、惯 量小，可提高启动、停止的响应特性，利于控制振动 和噪声。转速高，目前最高可达200000 r/min。其缺 点是电机运转产生的振动和热量将直接影响到主轴， 因此，主轴组件的整机平衡、温度控制和冷却是内装 式电机主轴的关键问题
①轴承类型
（a） 锥孔双列圆柱滚子轴承：内 圈为1：12的锥孔，当内圈沿锥 形轴轴向移动时，内圈胀大，可 以调整滚道间隙。滚子与内外圈 线性接触，承载能力大，刚性好。 允许极限转速较高。对箱体孔、 主轴颈的加工精度要求高，且只 能承受径向载荷。
（b）双列推力向心球轴 承，接触角为60°。球 径小、数量多，允许转 速高，轴向刚度较高， 能承受双向轴向载荷。 该种轴承一般与双列圆 柱滚子轴承配套用作主 轴的前支承。
（e）高速电主轴轴承：
随着速度的提高，轴承的温度升高，离心力增加, 振动和噪声增大，寿命降低。
可采用磁浮轴承、液体动静压轴承、陶瓷球轴承 三种形式。磁浮轴承的高速性能好、精度高，容 易实现诊断和在线监控，但电磁测控系统过于复 杂。液体动静压轴承综合了液体静压轴承和液体 动压轴承的优点，但这种轴承必须根据具体机床 专门进行设计，单独生产，标准化程度低，维护 保养也困难。
数控机床电主轴系统结构特性分析
收 稿 日期 ：０ １ １— ３ ２ １－ ２ １
作者简 介 ： 温得英 （９ ８ ） 女 ， １７ 一 ， 青海互 助人 ， 讲师 ， 工学学士 ， 主要研究方向为先进制造技 术。
《 装备制造技术）ｏ ２ ２ １ 年第 ２ 期 司的实地考察（ 见图 ２ 现场实物图（ ）（ ）谈谈其 中 ａ 、ｂ ， 几项关键技术 的研究 ， 如主轴单元的冷却技术 、 高速 主轴的动平衡技术 、 主轴支承及其合理 的润滑方式等
图 １ 电 主 轴 结 构 转速 、 高精度 、 高
效率 、 响应快 、 功率等特点 ， 大 还包 括轻便 性 、 紧凑 性、 小振动 、 噪音等一些优点 ， 自动控制系统 可 低 其 以控制数控机床参数如主轴温升及振动等 ，所 以作
为数控机床的主要功能部件 ， 高速电主轴 ， 为更安全 可靠 以及高效的加工技术做 出了应有的贡献 ，也被 更广泛地应用于各种制造行业。
关键词 ： 数控机床 ； 电主轴 ； 结构 ； 分析 中图分类号 ：‘ ５ Ｔ Ｇ６ ９ 文献标识 码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ０ — ０ ４ ０ １ ７ — ４ Ｘ【 ０ ２ ０ ４ － ３ ２）
随着 当今数控机 床高速切 削技术的快速发展 ， 置和润滑装置等 ， 主轴 由前后轴承支承 ， 与电机 的转 高速电主轴 已成为 目前发展的普遍趋 势 ，而其几项 子被压配做成一体 ，电机的定子通过冷却安全套安 关 键技术 ： 主轴轴承技术 、 动平衡 技术 、 冷却技术及 装在主轴单元 的壳体 中，主轴变速 由主轴驱动模块 其 润滑技术等又是影 响和制约电主轴 发展水平的关 控制 ， 温升 由冷却装置来限制 ， 主轴前后端分别还装 键， 若能将各项关键技术水平得 以提高 ， 电主轴就能 有用于安装刀具 的内锥孔 和端面 、以及用于测速和 迈 向更高的 台阶 ，使得数控机床 向着更先进的技术 测角位移的传感器 ， 其结构简图如图 １ 所示 。 水平方向发展。高速电主轴 的切削技术 ， 因为其本身 所具有 的特性 之一高速性 ，可 以解决产品制造过程
作者简 介 ： 温得英 （９ ８ ） 女 ， １７ 一 ， 青海互 助人 ， 讲师 ， 工学学士 ， 主要研究方向为先进制造技 术。
《 装备制造技术）ｏ ２ ２ １ 年第 ２ 期 司的实地考察（ 见图 ２ 现场实物图（ ）（ ）谈谈其 中 ａ 、ｂ ， 几项关键技术 的研究 ， 如主轴单元的冷却技术 、 高速 主轴的动平衡技术 、 主轴支承及其合理 的润滑方式等
图 １ 电 主 轴 结 构 转速 、 高精度 、 高
效率 、 响应快 、 功率等特点 ， 大 还包 括轻便 性 、 紧凑 性、 小振动 、 噪音等一些优点 ， 自动控制系统 可 低 其 以控制数控机床参数如主轴温升及振动等 ，所 以作
为数控机床的主要功能部件 ， 高速电主轴 ， 为更安全 可靠 以及高效的加工技术做 出了应有的贡献 ，也被 更广泛地应用于各种制造行业。
关键词 ： 数控机床 ； 电主轴 ； 结构 ； 分析 中图分类号 ：‘ ５ Ｔ Ｇ６ ９ 文献标识 码 ： Ａ 文章编号 ：６ ２ ５ ５ ２ １ ０ — ０ ４ ０ １ ７ — ４ Ｘ【 ０ ２ ０ ４ － ３ ２）
随着 当今数控机 床高速切 削技术的快速发展 ， 置和润滑装置等 ， 主轴 由前后轴承支承 ， 与电机 的转 高速电主轴 已成为 目前发展的普遍趋 势 ，而其几项 子被压配做成一体 ，电机的定子通过冷却安全套安 关 键技术 ： 主轴轴承技术 、 动平衡 技术 、 冷却技术及 装在主轴单元 的壳体 中，主轴变速 由主轴驱动模块 其 润滑技术等又是影 响和制约电主轴 发展水平的关 控制 ， 温升 由冷却装置来限制 ， 主轴前后端分别还装 键， 若能将各项关键技术水平得 以提高 ， 电主轴就能 有用于安装刀具 的内锥孔 和端面 、以及用于测速和 迈 向更高的 台阶 ，使得数控机床 向着更先进的技术 测角位移的传感器 ， 其结构简图如图 １ 所示 。 水平方向发展。高速电主轴 的切削技术 ， 因为其本身 所具有 的特性 之一高速性 ，可 以解决产品制造过程
国内数控机床用电主轴系统的发展
转 速 可 达 ６ Ｏ ０ ／ｍｉ 。 本 次 展 ０， ０ ｒ ｎ
同 档 次 的 技 术 性 能 ， 可 选 择 性 较 大 。 高 速 电 主 轴 的 最 高 转 速 及 功 率 、扭 矩 普 遍 提 高 。 有 的 还 采 用 了 传 感 技 术 对 振 动 进 行 监 测 和 诊
” 五 ” 期 间又 继 续 开 展 上 述 本 特 点 ： 十
动 、 多 面 体 加 工 、 并 联 机 床 、 复 了 用于 高速 数 控铣 的 ３ ０ ０ ／ｍ 于 主 机 厂 安 装 使 用 。 Ｏ０ｒ ｉ ｎ 内 装 式 电 主 轴 单 元 的 优 异 特 点 是 ２ ／ｍ ｎ电 主 轴 。 同 时 又 电 主 轴 由 安 装 在 尾 端 的 气 、 液 ０００ｒ ４ ｉ
断 。瑞 士 的 Ｉ ＢＡＧ、 Ｓｔ Ｐ—Ｔｅ ｅ Ｃ、
Ｆ ｃ ｅ Ｓｔ ａ —Ｈｅ ｋ 公 司 ， Ｉ ｈ ｓ ｒ ａ ｇ ｒ ｒ ｃ ｅｔ ｒ
机 床 厂 和 日本 大隈 合 作也 开 发 地 安 装 在 主 轴 上 。
会 电 主 轴 展 品 琳 琅 满 目 ．具 有 不 出 转 速 高 于 １ Ｏ ０ ／ｍｉ ０． ０ ｒ ｎ的 电 主
０ ｒ ｍｉ ５ ０， ０ ｒ ｍｉ 出 的 加 工 中 心 均 采 用 电 主 轴 配 １ ０ ０ ／ ｎ、２ Ｏ ０ ／ ｎ电 主 型 式 。
置 。 其 最 高 转 速 普 遍 为 １ ｏ ｏ一 轴 。北 京 机 电 研 究 院 、 上 海 第 二 ２． ｏ
２Ｏ
，
用 于 车 削 的 电 主 轴 动 力 卡
项信 息 —— Ｅ ０ ＭＯ２ ０３考 察 报 告 主 轴 。 与 此 同 时 ， 北 京 机 床 研 究 器 来 实 现 松 拉 刀 。 其 拉 刀 器 可
电主轴的应用场景
电主轴的应用场景
摘要：
1.电主轴的定义和作用
2.电主轴的应用场景
3.电主轴在不同场景下的优势
正文：
【电主轴的定义和作用】
电主轴是一种将电能转化为机械能的装置，主要应用于高速、高精度的机械加工场合。
电主轴通过将电能传递给电机，驱动电机转动，从而实现对工件的加工。
相较于传统的机械主轴，电主轴具有更高的转速、更高的精度和更低的噪音，因此在现代机械加工领域得到了广泛应用。
【电主轴的应用场景】
1.数控机床：电主轴在数控机床上的应用最为广泛，可以实现对各种金属和非金属材料的高速、高精度加工。
2.精密磨床：精密磨床对加工精度要求很高，电主轴可以提供稳定的高转速，满足精密磨床的高精度加工需求。
3.高速铣床：高速铣床需要高转速、高精度的切削速度，电主轴可以实现连续高速运转，提高加工效率。
4.木工机械：在木工机械中，电主轴可以实现对木材的高精度、高速度的加工，提高家具制造的精度和效率。
5.玻璃加工：在玻璃加工领域，电主轴可以实现对玻璃的高精度切割和磨边，提高玻璃制品的品质。
【电主轴在不同场景下的优势】
1.高转速：电主轴可以实现高转速运转，提高加工效率，尤其在高速铣床和精密磨床等场景下，效果尤为显著。
2.高精度：电主轴的精度可以达到微米级别，满足精密加工的要求，提高产品品质。
3.低噪音：相较于传统机械主轴，电主轴的噪音大大降低，提高了工作环境的舒适度。
4.节能环保：电主轴的能耗较低，减少了能源消耗，符合绿色环保的发展趋势。
主轴轴承常见的支撑形式
主轴轴承常见的支撑形式主轴轴承常见的支撑形式在机床工业中，主轴轴承的支撑形式对于确保机床的精度和性能至关重要。
以下是主轴轴承常见的支撑形式：1.弹性支撑形式弹性支撑形式是一种常见的支撑方式，它利用弹簧或橡胶垫等弹性元件将主轴支撑在轴承座中。
这种支撑形式的优点在于它可以吸收主轴和轴承座之间的误差和冲击，从而减少对机床精度的影响。
此外，弹性支撑形式还可以减少热膨胀对主轴的影响，确保机床的加工精度。
然而，由于弹性支撑元件的寿命相对较短，需要定期更换，因此这种支撑形式的维护成本相对较高。
2.液压支撑形式液压支撑形式是一种利用液压油的压力来支撑主轴的支撑形式。
主轴被放置在液压油缸中，通过调节液压油的液位来调整主轴的位置。
液压支撑形式的优点在于它可以提供均匀且稳定的支撑力，从而确保主轴的精度和稳定性。
此外，液压支撑形式还可以吸收冲击和振动，提高机床的性能。
然而，液压支撑形式的成本较高，并且需要专业的维护和管理。
3.机床主轴支撑形式机床主轴支撑形式是一种针对特定机床设计的支撑形式。
这种支撑形式通常根据机床的结构和性能要求进行设计，以确保主轴的精度和稳定性。
机床主轴支撑形式通常采用滑动轴承、滚动轴承或静压轴承等不同类型的轴承。
滑动轴承具有结构简单、制造成本低等优点，但易磨损、寿命较短。
滚动轴承具有较高的精度和寿命，但需要保持清洁、润滑，否则容易损坏。
静压轴承则具有极高的精度和稳定性，但需要精密的液压控制系统和冷却系统支持。
4.数控机床主轴的支撑形式数控机床主轴的支撑形式与普通机床主轴支撑形式略有不同。
由于数控机床需要实现高精度、高速度和高效率的加工，因此其主轴的支撑形式需要具备更高的性能要求。
一般来说，数控机床主轴的支撑形式采用电主轴或气动主轴等高速主轴系统。
电主轴是一种将电机直接安装在主轴上的驱动方式，具有高转速、高精度和高效率等优点。
气动主轴则利用气压来驱动主轴旋转，具有结构简单、无污染等优点，但需要精密的气动控制系统支持。
数控机床高速电主轴结构分析
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 。 是 一 种 机 电一 体 化 的 功 它 能部 件 ， 电 动机 转 子 与 主轴 是 一 体 的 ， 其 无 需任 何 机械 连 接 。 改变 供 电的 频率 ， 可 以 就 实现 主轴 调 速 这 种 模 块 化 、 列 化 的 功 能 部 件 称 为 系 电 主轴 。 常 由具 有 设计 和 制 造 高 速 、 精 通 高 度 、 频 调 速 电 主 轴 丰 富 经 验 的专 业 公 司 变 提供 ， 品质 量 和 供 货 容 易 获 得 保 证 。 产
为“ 高频主轴 ”Ｈ ｇ ｒｑ ｅ ｃ ｐｎ ｌ） （ ｉ ｈ Ｆ ｅ ｕ ｎ ｙ Ｓ ｉｄ ｅ。 图ｌ 所示 为 电 主 轴 的结 构 简 图 ， 主 要 特征 其 是 将 电 动 机 内 置 于 主 轴 内 部 直 接 驱 动 主 轴 ， 现 电动 机 、 轴 一 体 化 的功 能 。 主 实 主 电 轴 由无 外 壳 电机 、 轴 、 承 、 轴 单 元 壳 主 轴 主 体、 驱动 模 块 和 冷却 装 置 等组 成 。 机 的转 电 子 采 用 压 配 方法 与 主 轴 做 成 一 体 ， 轴 则 主 由前 后 轴 承 支 承 。 机 的 定 子 通 过 冷 却 套 电 安装于主轴单元 的壳体中。 轴的变速 由 主 主 轴 驱 动 模 块 控 制 ， 主轴 单 元 内 的 温 升 而 由冷 却装 置 限 制 。 主 轴 的后 端 装 有 测 速 、 在 测 角位 移 传 感 器 ， 前端 的 内 锥 孔 和 端 面 用 １高速 电主轴的特点 高速 运 转 的 电主 轴 的 主 轴 形 式 是 将 主 于 安 装 刀具 。 工 作 原 理 和普 通 的 异 步 电动 机 的 工作 轴 电机 的 定 子 、 子 直 接 装 入 主 轴 组件 的 转 改 内部 ， 即把 高 速 电 机置 于 精 密 主轴 内部 ， 电 原 理 一 致 ， 变 输 入 电 动 机 定 子 绕 组 的 电 在 主轴 的 电 机转 子 就 是 主 轴 ， 轴 的 壳 体 就 流 频 率 和 励 磁 电压 获 得 各 种 转 速 。 加 速 主 通 减 是 电机 的 机座 ， 现 了 变 频 调 速 电机 和 主 和 制 动 过 程 中 ， 过 改 变 频 率 进 行 加 ／ 实 以免 电动机 温 升 过 高 。 由于 电动机 旋 转 轴一 体 ， 机 直接 驱 动 主轴 ， 成 电 主 轴 。 速 ， 电 形 电 主 轴 取 消 了 电 机 到 主 轴 传 动 链 中 的 齿 磁 场 的 方 向取 决 于输 入定 子 三 相 交 流 电的 故 便 轮 、 带等 一 切 中 间环 节 ， 力源 对 主 轴 的 相序 ， 改 变 电主 轴输 入 电流 的 相 序 ， 可 皮 动 直 接 传 动 ， 动 链长 度 为零 ， 现 了机 床 主 改 变 电 主 轴 的 旋 转 方 向 传 实
电主轴与高速加工技术
材 料 切 除 速 度 （ｎｎ／ ｉ） ｉｉ ｒ ｎ ａ 表 面 质 量 （ｔ ｔ ｍ）
加工 时间（ ） ｈ
１０ ２０ ６
９ ４ ．２
１０ ８０ ４５ ．
６ ２ ．８
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２３ ．６
Ｉ Ａ 的 ＨＦ ＢＧ Ｋ快 换 型 电主 轴 是 电 主轴 的尾 部 有 一 标 准 的 Ｂ Ｔ或 ＩＯ 锥 柄 ， 以 像 一 把 刀 Ｓ 可
Ｗ Ｍ ＥＭ ５期 ２ ０ 年 １ 月 ０２ ０
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★ 展 览 会 介 绍 Ｅ ｈｂｔ ｎ － ｘ ｉｉｏ ｓ Ａ ｉ －
零件 ；
器 、 刀装 置等 。 换 电主轴 所 融 合的 技术 ：
５ ．高 速 机 床 的投 资可 以很 快 收 回 ，可 以缩 短交 货 期， 减小 车 间 占地 面积 ， 少工 人 数量 。 减 高 速加 工 采用 小直 径 刀具 、 切深 、 小 小切 宽 、 快速 多 次走 刀来提 高效 率 ， 传统 的加工 一般 采 用大 直 径 刀具 、 而 大切 深 、 大切 宽 ； 高速 加 工 的切 削力 大 幅度 减小 ， 要 的 需
高 速加 工技 术 （ Ｓ ）能使 我们 以 ＨＣ 尽量 短 的时 间加 工 出 质 量合 格 的零 件 ，
提高 一个 企业 的市场 反 应能 力 。下面 几 个 行 业 极 大 推 动 了 高 速 加 工 技 术 的 发 展 。 先是 电子行 业 ， 如计 算 机 、 动 首 例 移
刀具 直 径 （ｎ １ ｉｎ） 主轴 转 速 （／ ｎ ｒｍｉ）
的切 除量 甚 至达 到 ９ ％ ， 长 的加 工 时间使 经 营者 难 以 ０ 漫 忍受 ， 以这 两个 行 业欣 然接 受 了高速 切 削这 项新 技 术 ， 所 使得 加工 时 间缩 短到 了原来 的几 分 之一
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（2）高速进给系统 ）
2）直线电动机 1993年德国 -cell_O公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上 1993年德国Ex-cell_O公司在汉诺威国际机床博览会展出了世界上 年德国Ex 第一台直线电动机驱动工作台的HSC—240型超高速加工中心 型超高速加工中心， 第一台直线电动机驱动工作台的HSC—240型超高速加工中心，主轴 转速24000r/min，最大进给速度60m/min 转速24000r/min，最大进给速度60m/min 直线电动机的动子和工作台固连，定子则安装在机床床身上，取消滚 直线电动机的动子和工作台固连，定子则安装在机床床身上， 珠丝杠和其他一切中间机械传动环节，实现了加工中心进给系统“零 珠丝杠和其他一切中间机械传动环节，实现了加工中心进给系统“ 传动” 传动”。 最大进给速度可达80~Байду номын сангаас80m/min 速度高 ，最大进给速度可达80~180m/min 加速度大，2~10g 加速度大，2~10g 定位精度高，以光栅尺为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统， 定位精度高，以光栅尺为位置测量元件，采用闭环反馈控制系统，工 作台定位精度高达0.1~0.01微米 微米。 作台定位精度高达0.1~0.01微米。 行程不受限制。美国Cincinnati公司开发的 公司开发的SuperMach大型高速 行程不受限制。美国Cincinnati公司开发的SuperMach大型高速 加工中心， 轴的行程长达46m,采用直线电动机 采用直线电动机. 加工中心，其X轴的行程长达46m,采用直线电动机.
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5.1高速加工中心的速度指标 高速加工中心的速度指标
国外文献：对高速切削有两种表述方法：一种叫High 国外文献：对高速切削有两种表述方法：一种叫High Speed Machining (HSM),另一种叫High Velocity Machining(HVM) (HSM),另一种叫 另一种叫High 高移速加工 一种观点：比传统的切削速度高时，就可以称HSM， 一种观点：比传统的切削速度高时，就可以称HSM，当切削速度达 一定值，才可以称HVM 一定值，才可以称HVM 高速加工比较合理说法：切削速度达到一个相对高的量级，不仅材料 高速加工比较合理说法：切削速度达到一个相对高的量级， 切除率大大提高，切削力下降，工件的温升较低，热变形小，刀具的 切除率大大提高，切削力下降，工件的温升较低，热变形小， 耐用度高。 耐用度高。
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3.高速加工中心的基本特征 高速加工中心的基本特征
加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点： 加工中心和普通数控机床的主要区别有以下四点： 1）有自动换刀装置，能实现工序间的自动换刀，这是加 有自动换刀装置，能实现工序间的自动换刀， 工中心标志性结构。 工中心标志性结构。 2）三坐标以上的全数字控制 3）多工序功能，一次装夹中，尽可能完成多工序加工 多工序功能，一次装夹中， 4）配置自动更换的双工作台，实现机床上、下料的自动 配置自动更换的双工作台，实现机床上、 化。 辅助工时大大缩短， 辅助工时大大缩短，机床的工艺可能性和加工精度也达到 高精度。 高精度。
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（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 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 25m/min，需时0.5s 而直线电动机从0 75m/min， 0.05s 电动机优良的加速性能较好。 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、 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。 及成本较高。
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2.“零传动理论” “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， 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， 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） （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。 令的快速反应。 解决方法：根本上解决问题， 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， 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” 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， 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 更重要提高机床动态灵敏度、加工精度和工作可靠性。 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。 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” 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。 代表。
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（3）自动换刀技术的改进 ）
1）高动作速度，采用机械凸轮式的换刀机构 高动作速度， 2）设计和布置刀库与换刀装置 3）采用新的方法进行刀具快速交换。可以考虑不用刀库和机械手方 采用新的方法进行刀具快速交换。 式。 4）采用适合高速加工的HSK刀柄 采用适合高速加工的HSK刀柄
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3）并联（虚拟轴）机构 ）并联（虚拟轴）
为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六根实轴都必须运动。 为了实现任何的坐标移动，牵动电主轴的六根实轴都必须运动。 六根杆的伸缩既可用滚珠丝杠，也可用直线电动机。 六根杆的伸缩既可用滚珠丝杠，也可用直线电动机。 这种并联机构也有速度高、加速度大和刚度好等优点。 这种并联机构也有速度高、加速度大和刚度好等优点。
教师：高永祥 2009年 2009年9月
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高速切削机床和加工中心
背景 采用枪和炮来做高速切削实验 高速电主轴单元的研制成功 真正实现高速、 真正实现高速、高加速进给运动的直线电动机在机床上的 成功应用 高速机床的应用则是现代机床工业的第二次革命
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1。高速加工对机床的特殊要求 。
高速机床与普通机床的区别 （1）主轴转速高、功率大 主轴转速高、 转速：一般大于10000r/min 主电动机功率：15~80KW 转速：一般大于10000r/min 主电动机功率：15~80KW （2）进给量和快速行程速度高 进给量：60~100m/min，常规10倍左右 进给量：60~100m/min，常规10倍左右 （3）主轴和工作台运动都有极高的加速度 主轴从启动到最高转速只用1~2S 工作台加、 主轴从启动到最高转速只用1~2S。工作台加、减速也由常规数控机 床的0.1~0.2提高到 床的0.1~0.2提高到1~8g。（没有高的加速度，工作部件的高速度 提高到1~8g。（没有高的加速度， 没有高的加速度 是没有意义的）“速度设计”进行“加速度设计”的时代 是没有意义的） 速度设计”进行“加速度设计” 机床要有优良的静、 （4）机床要有优良的静、动态特性和热态特性 机床各运动部件之间作速度很高的相对运动， 机床各运动部件之间作速度很高的相对运动，运动副接合面之间将发 生急剧的摩擦和发热 快速刀具交换、 快速刀具交换、快速工件交换以快速排屑等装置
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4.加工中心的高速化 加工中心的高速化
数控机床生产总量中，加工中心占有50%的份额。 的份额。 数控机床生产总量中，加工中心占有50%的份额 加工中心主轴转速达到60000~80000r/min 加工中心主轴转速达到60000~80000r/min 使用直线电动机的快速进给超过100m/min 使用直线电动机的快速进给超过100m/min 加减速度可达到3g~6g。 加减速度可达到3g~6g。 高速度、高精度、 高速度、高精度、高刚度就成为对现代高速加工中心的基 本要求。 本要求。 欧州国家生产的高速加工中心，标准定位精度为8 例：欧州国家生产的高速加工中心，标准定位精度为8微 重复定位精度为4微米。 米，重复定位精度为4微米。 大批量零件的生产线上， 大批量零件的生产线上，高速加工中心不仅实现了柔性生 产。
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高速加工中心的典型结构
1.立式高速加工中心 1.立式高速加工中心 刀具主轴垂直设置。 刀具主轴垂直设置。 运用电主轴 工作台运动变成刀具主轴（立柱）作进给移动，工作台固定不动。 工作台运动变成刀具主轴（立柱）作进给移动，工作台固定不动。 为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置ATC不宜再装在立柱的侧 为了减轻运动部件的质量，刀库和换刀装置ATC不宜再装在立柱的侧 而把它固定安装在工作台的一侧， 面，而把它固定安装在工作台的一侧，由立柱快速移动至换刀位置进 行换刀。 行换刀。
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5.高速加工中心的技术特征 高速加工中心的技术特征
1.提供高旋转速度的主轴部件， 1.提供高旋转速度的主轴部件，高移动速度的进 提供高旋转速度的主轴部件 给系统以及相关的元部件和技术就构成了高速加 工中心的基本技术体系。 工中心的基本技术体系。 高速加工中心的技术特征： 高速加工中心的技术特征： 一高速切削的技术指标； 一高速切削的技术指标； 二是实现高速切削的机床结构特征。 二是实现高速切削的机床结构特征。
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（2）高速进给系统 ）
目前高速进给系统主要有三种方案： 目前高速进给系统主要有三种方案： 1）滚珠丝杠 “旋转电动机+滚珠丝杠”仍是加工中心和其他数控机床进给系统的 旋转电动机+滚珠丝杠” 一统天下” “一统天下”。 缺点：转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大、摩擦磨损和发热严重、 缺点：转动惯量大、扭转刚度低，传动误差大、摩擦磨损和发热严重、 弹性变形引起工作台爬行。最大直线速度为30~60m/min， 弹性变形引起工作台爬行。最大直线速度为30~60m/min，加速 度只有0.2~1g. 度只有0.2~1g. 解决：采用大导程的滚珠丝杠，可提高进给速度，但发热大大增加， 解决：采用大导程的滚珠丝杠，可提高进给速度，但发热大大增加， 造成严重的热变形， 造成严重的热变形，可以采用空心丝杠通冷却油的方法来减少热变形 误差。 误差。