高速主轴系统和电主轴

电主轴的工作原理电主轴是机床上的一种重要装置，用于加工工件时进行高速旋转，通常被用于车床、铣床、钻床等机床中。

电主轴可以提高工作效率和加工精度，是现代机械制造中不可或缺的一部分。

本文将从电主轴的工作原理、构成和性能几个方面来详细介绍电主轴的相关知识。

一、工作原理电主轴的工作原理基于电机的旋转运动，利用电机的动力来带动机床上的刀具进行高速旋转。

电主轴的构成主要由电机、轴承、主轴壳体、冷却系统以及传动系统组成。

电机作为电主轴的动力源，通常采用直流电机或交流电机，其带动主轴壳体与主轴进行旋转。

轴承作为主轴的支撑装置，能够承受主轴的径向和轴向负载，使得主轴在高速旋转时不会发生轴承摩擦、振动等毛病。

主轴壳体是电主轴的主要部分之一，可以起到固定轴承、保护主轴和机床的作用。

主轴壳体的材质通常使用优质铸铁或铸钢、铝合金等。

冷却系统主要用来降低电主轴温度，主要包括内冷却和外冷却。

冷却水能在高速旋转时有效的降低电主轴的温度，提高机床的生产效率。

传动系统是电主轴运转的重要部分之一，通常由齿轮传动、同步传动、传动带传动等几种。

齿轮传动是一种传动方式，其结构简单、可靠性高、传动精度高，因此在数控机床中最常用。

同步传动是电主轴开发较晚的传动方式，优点是转矩大、效率高、振动小，但同时成本也高；传动带传动则是将电主轴带转附加在主动装置（如变速器）上，结构简单、精度较高。

二、电主轴的构成电主轴主要由电机、轴承、主轴壳体、传动装置、冷却系统、电气控制系统等几部分组成，其中电机是电主轴的最核心部分，它利用电能将机床切削刀具旋转起来。

电机通常使用交流电机或直流电机。

其中交流电机由于功率较小，多用于中小型加工机床的电主轴上；而直流电机由于功率较大、可调速范围广，通常用于大型加工机床上。

轴承是电主轴的支撑部分，它承受主轴的重量和旋转产生的离心力，是保证电主轴稳定运转的重要部分。

轴承的动力性能与材料决定了电主轴的运转速度和加工精度。

为保证电主轴低温低振动的运转状态，轴承数量通常有两个以上。

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。

目录引言 (1)1.数控铣床简介 (3)1.1.数控铣床组成 (3)1.2.数控铣床的工作原理 (4)1.3数控铣床加工的特点 (4)1.4数控铣床加工的主要对象 (4)2.电主轴概述 (5)2.1电主轴的基本概念 (5)2.2电主轴单元关键技术 (6)2.2.1高速精密轴承技术 (6)2.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计 (7)2.2.3高速电动机设计及驱动技术 (8)2.2.4高速电主轴的精密加工和精密装配技术 (8)2.2.5高速精密电主轴的润滑技术 (9)2.2.6高速精密电主轴的冷却技术 (9)2.3高速电主轴发展及现状 (9)2.3.1高速电主轴技术的发展及现状 (9)2.3.2主轴单元结构形式研究的发展 (11)2.4电主轴对高速加工技术及现代数控机床发展的意义 (12)2.5内装式电主轴系统的研究 (13)3.电主轴工作原理及结构 (16)3.1电主轴的基本结构 (16)3.1.1轴壳 (16)3.1.2转轴 (16)3.1.3轴承 (17)3.1.4定子及转子 (17)3.2电主轴的工作原理 (17)3.3电主轴的基本参数 (19)3.3.1电主轴的型号 (19)3.3.2转速 (19)3.3.3输出功率 (19)3.3.4 输出转矩 (19)3.3.5电主轴转矩和转速、功率的关系 (20)3.3.6 恒转速调速 (20)3.3.7 恒功率调速 (20)3.3.8 轴承中径 (20)3.4自动换刀装置 (21)4. 电主轴结构设计 (22)4.1主轴的设计 (22)4.1.1.铣削力的计算 (22)4.1.2 主轴当量直径的计算 (23)4.2高速电主轴单元结构参数静态估算 (23)4.2.1 高速电主轴单元结构静态估算的内容及目的 (23)4.2.2轴承的选择和基本参数 (23)4.3轴承的预紧 (24)4.4主轴轴承静刚度的计算 (24)4.4.1 主轴单元主要结构参数确定及刚度验算 (26)4.4.2主轴单元主要结构参数确定 (27)4.4.3主轴强度的校核 (32)4.4.4主轴刚度的校核 (34)4.4.5主轴的精密制造 (35)4.5主轴电机 (36)4.5.1电机选型 (36)4.6主轴轴承 (37)4.6.1轴承简介 (37)4.6.2陶瓷球轴承 (38)4.6.3陶瓷球轴承的典型结构 (40)4.7主轴轴承精度对主轴前端精度影响 (40)4.8拉刀机构设计 (41)4.8.1刀具接口 (41)4.8.2拉刀杆尺寸设计 (42)4.8.3夹具体结构尺寸设计 (43)4.8.4 松、拉刀位移的确定 (45)4.8.5碟型弹簧的设计及计算 (46)4.9HSK工具系统结构特点分析 (48)4.10HSK工具系统的静态刚度 (52)4.10.1 HSK工具系统的变形转角及极限弯矩 (52)5.电主轴的润滑及冷却 (55)5.1润滑介绍 (55)5.1.1润滑的作用和目的 (55)5.1.2 电主轴润滑的主要类型 (55)5.1.3 油气润滑的原理和优点 (57)5.2电主轴的冷却 (58)5.2.1电主轴的热源分析 (58)5.2.2电主轴的冷却方法 (59)5.3电主轴的防尘和密封 (60)6.电主轴的驱动和控制 (61)6.1恒转矩变频驱动和参数设置 (61)6.2恒功率变频驱动和参数设置 (62)6.3矢量控制驱动器的驱动和控制 (64)6.4普通变频器原理 (65)6.5本设计采用的变频器原理 (67)6.6主轴准停 (69)6.6.1主轴的准停功能 (69)6.6.2主轴准停的工作原理 (69)6.6.3主轴准停控制方法 (70)7．主轴动平衡 (72)7.1动平衡介绍 (72)7.2动平衡设计 (73)总结 (75)致谢 (76)参考文献 (77)引言高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。

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。

电主轴的工作原理电主轴是一种用于机床加工的关键部件，它能够实现高速旋转，并提供必要的切削力和转矩。

本文将详细介绍电主轴的工作原理，包括结构组成、工作过程和性能特点等方面。

一、电主轴的结构组成电主轴主要由机电、轴承、主轴、冷却系统和传感器等组成。

1. 机电：电主轴通常采用交流机电或者直流机电，其功率大小取决于加工需求。

机电通过提供旋转力矩来驱动主轴进行高速旋转。

2. 轴承：轴承用于支撑和定位主轴，保证其稳定运转。

常见的轴承类型有滚动轴承和滑动轴承，可根据加工需求选择合适的轴承。

3. 主轴：主轴是电主轴的核心部件，负责承载切削工具和传递切削力。

主轴通常由高强度合金钢制成，具有良好的刚性和耐磨性。

4. 冷却系统：电主轴在高速旋转过程中会产生大量热量，为了避免过热对加工质量的影响，需要配备冷却系统，通过循环冷却液来控制温度。

5. 传感器：传感器用于监测电主轴的转速、温度和振动等参数，以确保其正常运行并及时发现异常情况。

二、电主轴的工作过程电主轴的工作过程可以分为启动阶段、稳定运行阶段和住手阶段。

1. 启动阶段：当电主轴启动时，机电会提供足够的起动力矩，使主轴开始旋转。

同时，冷却系统开始工作，确保主轴的温度在安全范围内。

2. 稳定运行阶段：一旦电主轴达到设定的转速，进入稳定运行阶段。

此时，机电通过恒定的电流供应持续提供驱动力矩，主轴保持稳定的旋转速度。

3. 住手阶段：当加工任务完成或者需要住手电主轴时，机电会逐渐减小电流供应，使主轴逐渐减速住手。

冷却系统继续工作，将主轴冷却至安全温度。

三、电主轴的性能特点1. 高速旋转：电主轴能够实现高速旋转，提供足够的切削速度和切削力，适合于高效率的加工需求。

2. 高精度：电主轴采用精密轴承和优质材料制成，具有较低的振动和轴向偏移，可保证加工精度。

3. 高刚性：主轴采用高强度合金钢制成，具有良好的刚性和抗变形能力，可承受较大的切削力和转矩。

4. 自动监测：电主轴配备传感器，能够实时监测转速、温度和振动等参数，及时发现异常情况并采取相应措施。

数控机床高速电主轴技术及应用一、高速电主轴的发展历程早在 20 世纪 50 年代，就己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，使得在 20 世纪 80 年代末、90 年代初出现了用于铣削、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，中等规格的加工中心的主轴转速目前己普遍达到 10000r/min 甚至更高。

1976 年美国的 Vought 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20,OOOr/min，功率为 15KW。

到 90 年代末期，电主轴发展的水平是:转速40,000 r/min，功率 40 KW(即所谓的“40-40 水平”)。

但 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 60,000 r/min，功率为 80 KW。

目前世界各主要工业国家均有装备优良的专业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心和高速数控机床的电主轴。

其中最著名的生产厂家有:瑞士的 FISCHER 公司、IBAG 公司和 STEP-TEC 公司，德国的 GMN 公司和FAG 公司，美国的 PRECISE 公司，意大利的 GAMFIOR 公司和 FOEMAT 公司，日本的 NSK公司和 KOYO公司，以及瑞典的 SKF公司等公司。

高速电主轴生产技术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展与应用。

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。

高速加工技术越来越受到机械制造领域的关注，为了能提高整体加工效率，降低零件加工成本，获得较高加工精度和加工表面完整性，降低能耗、节省制造资源，有效抑制或减小切削振动，就必须使用超高速数控机床.高速电主轴单元作为高速机床的关键部件，其高转速、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等优点，使它在超高速切削机床上得到广泛的应用。

高速电主轴概述高速电主轴最早是用于磨削机床加工，逐步发展到加工中心电主轴及其他各行业机床主轴.传统的主轴一般是通过传动带、齿轮来进行传动驱动，而电主轴的驱动是将异步电机直接装入主轴内部，通过驱动电源直接驱动主轴进行工作，以实现机床主轴系统的零传动，形成“直接传动主轴”.从而减少中间皮带或者齿轮机械传动等环节，实现了机械与电机一体的主轴单元.电主轴不但减少了中间环节存在的打滑、振动和噪音的因素，也加速了主轴在高速领域的快速发展，成为满足高速切削，实现高速加工的最佳方案.2 高速电主轴的结构设计要求高速电主轴要求具备很高的工作性能，因此对其结构的设计、材质、加工工艺和检验等方面都有非常严格的要求.电主轴设计时，需要确定主轴的总体性能参数、主轴的实际结构（根据轴承形式、配置、驱动方法、润滑、等参数来确定）、主轴轴承的选型确认、轴承的寿命、主轴的刚度、危险速度、轴承游隙（预紧力）、主轴的尺寸（轴径、长度、轴承支距等）和主轴实际安装条件的要求等等因素.2.1 电主轴的转轴要求转轴是高速电主轴的主要零件之一，转轴的材料一般是经过轧制或锻造经切削加工的碳素钢或合金钢.它用来安装各种传动零件，使之绕其轴线转动，传递转矩或回转运动，并通过轴承与主轴机架或机座相联接.转轴带动工件或刀具旋转，完成表面成型运动，承受切削和驱动等载荷的作用.因此，对轴有很高的技术要求，在设计时应满足下列几方面的要求：(1) 节约材料，减轻重量，在特殊情况下选用合适的具有耐腐蚀性和耐高温性的材料；(2) 在结构上要受力合理、尽量避免或减少应力集中现象；(3) 提高足够的强度（静强度和疲劳强度）和刚度的结构措施；(4) 转轴在高速时的振动稳定性及良好的加工工艺性，保证精度要求；(5) 易于各个零件在轴上精确定位、稳固、装配、装拆和调整方便.在一般情况下，转轴结构设计成阶梯形，将内装的电机转子部件与转轴联接在一起形成整体部件，如图 2 所示.该转轴部件最大的优点是前后轴承组件、电机转子部件、平衡环均采用先进的感应加热下套工艺方法进行组装，无键槽的设计工艺方法，不但增加了转轴的刚度，同时，通过平衡环调整转轴整体动平衡量，最大限度地降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差.2.2 电主轴的电动机技术电主轴将机床主轴与电机合二为一，形成内装式主轴驱动系统，是机床的核心关键部件之一，它不但要实现高速、高精度、高刚度等要求，还必须要实现连续工作时输出的较大转矩力和承受较宽领域的恒功率运转范围.尤其是在转速要求较高且加减速操作频繁的领域，如加工中心、铣镗床、磨床、钻床等领域.交流主轴驱动系统根据电机类型分为感应电机电主轴驱动系统、永磁无刷同步电机主轴驱动系统以及开关磁阻电机主轴驱动系统.由于不同的机床要求不同的主轴输出性能（旋转速度、输出功率、动态刚度、振动抑制等），因此主轴的实际应用于选择需要精密相关［2］.目前主要采用感应电机交流主轴驱动系统，主轴功率设计时，电机需满足条件：（1）切削（实际工作）功率的要求；（2）主轴加减速时间所需功率要小于主轴电机的最大输出功率；(3)主轴频繁启动、制动时，需要计算平均功率，该功率要小于主轴电机的连续额定输出功率；（4）在要求时限表面恒线速切削的机床上，切削功率与恒线速所需功率之和应小于电机最大输出功率.内装式主轴电机结构紧凑，简化了机床的构造.因为转子安装在主轴上，降低了转轴在旋转时由于偏心造成的振动和偏差，而且获得较短的起动时间和制动时间，恒功率调速范围宽、噪声小、维修简单.但是，电机也是一个很大的发热源，要控制电机的温度，安装时最好选用有水冷的水套结构最佳轴承是高速电主轴的重要组成部分，它的类型、配置、精度对电主轴的工作性能、旋转精度有着很大的影响.电主轴一般采用角接触球轴承，主轴在高速旋转时，离心力引起的内圈膨胀、球旋转时离心力会引起内部负荷以及内外圈的温度差等均会使轴承内部的球和内外圈滚道之间的接触应力增大.而且，采用角接触球轴承这样有着接触角的轴承，在旋转中伴随着自转滑动和旋转时的滑动等各种形式的滑动而产生滚动接触，这些滑动随着转速增加而加大，因此接触部分的发热也会变大，特别是采用油脂润滑的轴承，由于润滑油的粘度下降，有时候甚至会出现缺少润滑油膜而烧伤的情况.高速电主轴轴承的选用要根据切削负荷大小、形式和转速的要求，优先选用陶瓷触球轴承.与钢球轴承相比，陶瓷球轴承优点有：（1）钢与陶瓷组成的陶瓷球轴承摩擦性能特好，能降低材料与润滑剂的应力；（2）因密度较低，可降低运转时的离心力；（3）较低的热膨胀系数能有效的降低轴承预压负荷的变化；（4）较高的弹性模数，使轴承的刚性更高.陶瓷球轴承在高速及重载的条件下，可获得高刚度、低温升和长寿命的效果，可以提高主轴的整体精度.2.4 电主轴的预紧力技术电主轴在选用轴承时，需要考虑机床主轴的刚度，固定在主轴上的轴承类似于弹簧的作用，主轴端部承受轴向负荷时，主轴的位移由固定轴承的轴向刚度来决定.当轴前端承受径向负荷时，轴端位移应考虑轴的弯曲变形.单列角接触球轴承接触角愈大，承受轴向载荷的能力愈高，在承受径向载荷时，同时产生轴向力，必须施加反向轴向力，所以，一般成对使用.当需要较大径向刚度时，可使用圆柱滚子轴承与角接触轴承配合安装，轴向负荷由角接触球轴承来承受.通常高速电主轴采用成对双联角接触球轴承组合安装，施加适当的预紧力，安装后有预过盈，消除轴承中间的游隙，因此提高了载荷能力、刚度和旋转精度，同时可以增加轴承的使用寿命，抑制轴的振动和异音，防止假性布氏压痕现象和高速旋转时滚动体的滑动现象产生等［3］.机床主轴在工作时，为实现取得较高的刚度，一般对轴承加上预紧力，但是需要注意的是预紧力不可过大，否则将会引起轴承烧伤现象或剥落损坏.主轴的预紧方式一般包括：（1）定位预紧，即组合轴承的轴向相对位置在使用过程中不会改变.（2）定压预紧，即通过圆柱弹簧、蝶形弹簧对轴承施加适当预紧的方法，在使用过程中即使轴承的相对位置发生变化，预紧量也能基本保持恒定.一般情况下，为提高主轴刚度时适合采用定位预紧，高速旋转时适合采用定压预紧的方法.2.5 电主轴的润滑技术高加工精度的机床主轴，不是单纯实现高速旋转，而且要抑制温度上升和减小热变形.一般主轴的润滑方式有：油脂润滑、油雾润滑、喷射润滑和油气润滑.不同类型的电主轴，要根据具体的特性选用适合的润滑方式.一般情况下，油脂润滑用于主轴高速运转比较普遍，但是受到极限转速的影响，填充适量的油脂时才能达到最高数值，油脂的填充量为轴承内部空间体积的10%～20%，填充太多，在进行初期运转时会产生异常发热，导致油脂劣化.在高速旋转时为保持较低的运转温度，可使用供油量少的油雾或油气润滑方式，它可以延长使用寿命、减少摩擦损耗、降低温升，并与密封装置一起保护轴承不受外物的侵入和防止腐蚀.油雾润滑是利用压力使润滑油雾化，再顺着进油通道喷射到轴承的方法；而油气润滑是通过喷嘴定量、定时间歇性的喷射出微量的润滑油，通过混合阀将其压缩空气中润滑油慢慢引出，每套轴承都需要一条单独的油路连续不断的向轴承供油的方法.不同润滑方式特性比较见表电主轴的动平衡技术高速机床的广泛应用，加速了主轴对转速的高要求.转速的提高使机床主轴各零部件在加工制造过程中，首先对材质提出了的较高要求，包括转轴毛胚是否有缺陷、材质是否均匀、形状是否对称及加工装配是否有误差等各个方面.电主轴的动平衡也是装配前的关键环节，动平衡的高低直接影响主轴单元的噪声、振动、发热等性能标.通常在完成零部件加工后，转轴首先需要做单体动平衡试验，使转轴不平衡离心力降到最小值，接着安装上螺母等单体逐步进行动平衡试验，待组装后还要对整机进行动平衡试验，通过数据显示达到理想的动态性能，从而提高主轴整机系统的动态精度，延长轴承及整个主轴系统的寿命.由于转轴上附加的零件偏多，装配前可能无法一一平衡，因此，必要时可做在线动平衡试验.同时，为方便调整电主轴整机的平衡，通常应在转轴前后螺母上预留数个平衡螺孔，以保证转轴在高速运转的平稳性［5］.3 高速电主轴的发展国内电主轴研究启蒙阶段为20 世纪60 年代，主要以内圆磨削为主体，多数为仿制技术.到20 世纪70年代到80 年代，随着国内技术的发展，电主轴的广泛应用，我国自行开发研制了高速电主轴，电机的功率也大大提高了30%左右，广泛应用于磨削领域.到20 世纪90 年代以后，数控CNC 技术的研发，大大推动了电主轴在机械领域的应用，铣削加工中心电主轴单元使电主轴越来越多的应用到高速雕铣行业中.21 世纪以来，国内研制电主轴的技术得到快速发展，采用了先进的技术与加工方法，使电主轴具有高转速、高精度、高刚性、低噪音、低温升、结构紧凑、易于平衡、安装方便、传动效率高等优点，生产出适合各个行业领域的电主轴与机械主轴.国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的技术较早，著名的企业中尤以GMN 公司、IBAG 公司、Fanuc 公司、Ingersoll 公司、Okuma 公司等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平.我国电主轴的设计制造技术与国外技术相比，无论是性能、品种和质量还有较大的差距.国外高性能电主轴有以下几个特点：（1）主轴低速输出扭矩大，转速高；（2）采用高速、高刚度陶瓷球轴承和液体动静压轴承，润滑方式采用油气润滑；（3）配套的控制系统，如交流伺服控制技术、自动平衡系统、润滑控制系统、电机冷却系统等方面［6］.德国Diebold公司历程1952年：成立Diebold1970年：开始生产刀柄1980年：开始为欧洲知名的机器制造商生产主轴部件1990年：开始生产带装配的主轴单元1997年：开始生产高频主轴2007年：开始生产锥度规2006年：在一个全空调建筑中生产主轴，在洁净室中安装主轴2015年：交付超过20,000个主轴单元2016年：安装温度等级为2的测量室（每米温度+/- 2开尔文）2018年：主轴采用1微米精度的轴承座德国戴博DIEBOLD公司是德国***的刀柄生产商,可生产DIN69893的HSK刀柄，DIN69871A 及B的SK刀柄，MAS-BT刀柄，品种达到5000多个包括液压锁紧和热涨锁紧，其生产的热装设备为客户解决了刀柄的安装问题，同时Diebold公司还生产机床的高频电动主轴和对刀仪设备,如Chrion ,EMAG , Deckel-Maho , Heller等德国知名机床制造商均已***使用了戴博公司的电动主轴。

高速电主轴系统热变形分析及抑制措施李永芳;张启萍;王瑞;李新宁;苟卫东;杨锦斌【摘要】Analyzes both from spindle structure and heat source of electric spindle of machining center, this article proposes a technical solutions to reduce the temperature rise of spindle, main measures which have been taken are to reduce the heat amount of bearing and motor, spindle bearing cooling and oil lubrication systems. And these has already been tested by the Belgium-based Lemmens dynamic multi-channel monitors and a high accuracy temperature sensor pt 100, the temperature rise high-speed spindle of machining center has been effectively controlled, and both its mechanical performance and reliability have been guaranteed. It has an extraordinary practical significance on the application & potentiality of high speed spindle of machining Center.%从加工中心电主轴的结构和热源两方面对电主轴热变形原因进行了分析,提出了降低电主轴温升的技术方案,主要采取了减小轴承发热量、减小电动机发热量、主轴轴承循环冷却及油气润滑系统等措施,通过基于比利时Lemmens多通道动态监测仪和高精度pt 100温度传感器的试验验证,高速加工中心电主轴的温升得到了有效控制,其机械性能、可靠性也得到了保障,对加工中心高速电主轴的应用及发挥其潜能具有非凡的现实意义.【期刊名称】《制造技术与机床》【年(卷),期】2012(000)002【总页数】7页(P92-98)【关键词】加工中心;热变形原因;降低温升;动态监测【作者】李永芳;张启萍;王瑞;李新宁;苟卫东;杨锦斌【作者单位】青海交通职业技术学院,青海西宁810003;青海一机数控机床有限责任公司,青海西宁810018;青海一机数控机床有限责任公司,青海西宁810018;青海交通职业技术学院,青海西宁810003;青海一机数控机床有限责任公司,青海西宁810018;青海一机数控机床有限责任公司,青海西宁810018【正文语种】中文【中图分类】TG659高速加工是一种以比常规切削速度高5～10倍的速度进行切削加工的先进工艺，是当代四大先进制造技术之一，而高速机床是实现高速加工的前提条件。

一、高速切削的原始定义1931年，德国切削物理学家萨洛蒙（Carl.J.Salomon）博士提出了一个假设，即同年申请了德国专利（Machine with high cutting speeds）的所罗门原理：被加工材料都有一个临界切削速度V0，在切削速度达到临界速度之前，切削温度和刀具磨损随着切削速度增大而增大，当切削速度达到普通切削速度的5～6倍时，切削刃口的温度开始随切削速度增大而降低，刀具磨损随切削速度增大而减小。

切削塑性材料时，传统的加工方式为“重切削”，每一刀切削的排屑量都很大，即吃刀大，但进给速度低，切削力大。

实践证明随着切削速度的提高，切屑形态从带状、片状到碎屑状演化，所需单位切削力在初期呈上升趋势，而后急剧下降，这说明高速切削比常规切削轻快，两者的机理也不同。

二、现代高速切削技术的概念所罗门原理出发点是用传统刀具进行高速度切削，从而提高生产率。

到目前为止，其原理仍未被现代科学研究所证实。

但这一原理的成功应该不只局限于此。

高速切削技术是切削技术的重要发展方向之一，从现代科学技术的角度去确切定义高速切削，目前还没有取得一致，因为它是一个相对概念，不同的加工方式，不同的切削材料有着不同的高速切削速度和加工参数。

这里包含了高速软切削、高速硬切削、高速湿切削和高速干切削等等。

事实上，高速切削技术是一个非常庞大而复杂的系统工程，它涵盖了机床材料的研究及选用技术，机床结构设计和制造技术，高性能CNC控制系统、通讯系统，高速、高效冷却、高精度和大功率主轴系统，高精度快速进给系统，高性能刀具夹持系统，高性能刀具材料、刀具结构设计和制造技术，高效高精度测试测量技术，高速切削机理，高速切削工艺，适合高速加工的编程软件与编程策略等等诸多相关的硬件和软件技术。

只有在这些技术充分发展的基础上，建立起来的高速切削技术才具有真正的意义。

所以要发挥出高速切削的优越性能，必须是CAD/CAM系统、CNC控制系统、数据通讯、机床、刀具和工艺等技术的完美组合。

高速电主轴- 介绍高速电主轴是高速加工中心的核心部件。

在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速。

目前，加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000r/min。

而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm)，则需要更高的转速。

横林精工-高速电主轴如德国Kugler公司的五轴高精度铣床，其最高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承)，这样的高转速，当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时，就可达到150m/min的切削速度。

目前，德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。

加工模具时，总是采用很高的转速，而高转速产生的发热，以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。

为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。

由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据，以修改主轴转速和进给速度，对加工参数进行优化。

当主轴产生轴向位移，则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。

高速电主轴- 高速电主轴购买需知关于高速电主轴高速电主轴运转速度是通过变频器的驱动来实现的。

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电主轴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，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。

电主轴是一套组件，它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、换刀装置等。

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，内外圈不接触，理论上寿命无限长。

高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电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机，其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，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。

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电主轴散热，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丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

自动换刀装置：为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。

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等高速刀柄。

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，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千Hz。

电主轴的优点: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，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。