电主轴综述_电生理综述

电主轴综述由刀豆文库小编整理，希望给你工作、学习、生活带来方便，猜你可能喜欢“电生理综述”。

高速电主轴技术

乔志敏 S1203027 摘要:通过阐述了高速电主轴的发展历程、高速电主轴的结构以及高速电主轴设计制造过程中的关键技术，分析了高精度、高转速电主轴对数控机床性能的影响。实践证明，采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，能够获得特殊的加工精度和表面质量，高精度高转速电主轴功能部件，对提高数控机床的性能具有极大的影响。

关键词：高速电主轴；高精度；数控机床

Abstract: Based on the development of high-speed motorized spindle and the main structure of the motorized and the key technologies in the manufacturing proce of high-speed motorized spindle, it analyzes the high precision, high speed electric spindle of influence on the performance of the numerical control machine.Practice has proved that high-speed proceing technology can solve many problems in the manufacturing of mechanical products, and it can obtain special machining accuracy and surface quality.High precision and high speed motorized spindle features have a great impact on the performance of CNC machine tools.Keywords: high-speed motorized spindle, high precision, CNC machine

1.高速电主轴的现状与发展

早在20世纪50年代，就已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20世纪50年代末、90年代初的时候出现了用于铣削、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。

国外电主轴最早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点 :①功率大、转速高。②采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。③精密加工与精密装配工艺水平高。④配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上，这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司，就是世界上著名的精密机床制造商。它生产的机床配备最高达 60000r/min的高速电主轴，可以满足不同的切削要求，所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术，可以在低转速时输出大扭矩。2.高速电主轴的部件组成 2.1高速电主轴结构

数控机床的高速主轴具有高回转速度，但这并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥10000r/min的主轴系统，并相应具有高的角加（减）速度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向跳动小于1um或2um，轴向窜动小2um。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷并保持高的回转精度。

高速机床的核心部件是高速电主轴，它将机床主轴与驱动电机合二为一，即将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装式电主轴，其间不再使用皮带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传动”。高速电主轴的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可减少主轴振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。

高速电主轴的结构如下图1所示。

图1 电主轴结构示意图

高速电主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加工精度和应用范围。高速电主轴单元的性能取决于主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑、冷却、动平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转矩的矛盾等。2.2高速电主轴的驱动

采用内装式同轴电动机驱动的机床主轴，电动机是专制的内装式，电动机轴就是机床主轴。电动机的转子直接装在机床主轴上，电动机的定子装在主轴箱内，电动机自己没有轴承，而是依靠机床的高精度空气轴承支撑转子的转动。电动机现在都采用无刷直流电动机，可以很方便地进行主轴转速的无级变速，同时由于电动机没有电刷，不仅可以消除电刷引起的摩擦振动，而且免除了电刷磨损对电机的影响。为主轴能获得尽量搞的回转精度，电动机转子装在主轴上后应要求转子和主轴运转的影响。

同时内装式同轴电动机驱动机床主轴存在一个的问题是：电动机工作时定子将发热产生温升，使主轴部件产生热变形。为减小热变形，电动机定子应采取强制通气冷却或钉子外壳做成夹层，通过恒温（或水）冷却，可以基本解决内装式电动机发热问题。

尽管将主电机内置于机床主轴箱中会带来很多问题，但在高速机床上这几乎是唯一的选择。这是因为：

（1）如果电机不内置，则在高速下由皮带和或齿轮等中间传动件产生的振动与噪音等问题很难解决，会大大降低高速加工的精度和表面质量，并对车间环境产生严重的噪声污染。

（2）高速加工对主轴运转的角加速度有极高的要求，实现这一严酷要求最经济的方法，就是尽可能把传动系统的转动惯量减至最小。而为了达到这个目的，只有将电机内置，取消齿轮、皮带等一系列中间传动环节。

（3）和皮带、齿轮的末端传动方式相比，主电机内置于主轴前后轴承之间，可大大提高主轴系统的刚度和固有频率，即提高机床的临界转速。这就使电主轴运转在最高转速时，仍可远离机床的临界转速，确保不发生共振，这点对高速加工的安全尤为重要。

（4）结构简单紧凑，容易做成独立的功能部件，可由专业厂进行标准化、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，可方便的组成各种类型、各种性能的机床，包括多轴联动机床，多面加工中心和并联机床等。（5）主轴电动机做成内装式，电动机和机床主轴采用同轴，不仅可以提高主轴的回轴精度，而且主轴箱的轴向长度缩短，主轴称为一个独立的，很方便移动的部件。

高速电主轴由静止升速至每分钟数万转乃至数十万转是相当困难的.电主轴为保证正常工作,必须施加一定量的预负荷,这又增加了电主轴的阻力矩.为使电主轴能顺利地完成启动过程,应选取较大的启动转矩,故高速电主轴的启动电流要超出普通电机的额定电流5～7倍.现有的高速电主轴的驱动电源可分为两类:(1)三相中频发电机组是由一台电动机和一台中频发电机组合而成.就其励磁方式可分为整流子励磁中频发电机和异步绕笼励磁中频发电机.这种电源自身机械损耗和在机电转换中的电磁能量损耗很大.并且噪音大、振动大,需建专用发电机房.又面临输电线路损耗大等难题,已很少使用.(2)静止变频电源是利用交流变频调速技术.变频器将工频交流电转换为所需频率交流电.变频器工作原理是建立在磁场矢量控制理论基础上的.早期的静止变频电源多数以硅控元器件为主体,故体积大、可靠性差.已被大功率晶体管静止变频电源所替代.现今广泛使用的晶体管变频器是脉冲调幅式变频调速电源.可将三相50Hz380V交流电源转换成三相中频电源,其输出电压、频率连续可调.最新的变频器采用先进的IGBT晶体管技术(如瑞士ABB公司生产的SAMIGS系列变频器),可以实现异步电动机的无级变速,其适应性、实用性、经济性均优于中频发电机组.目前已成为高速电主轴主要驱动电源.2.3高速精密主轴的轴承

精密主轴部件是超精密机床保证加工精度的核心，主轴要求达到极高的回转精度，转动平稳，无振动，其关键在于所用的精密轴承。

从目前发展现状来看，电主轴单元形成独立的单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中心及高速机床上是高速、高效、高精度数控机床发展的一种趋势。电主轴技术包括主轴机械体、高速主轴轴承、无外壳主轴电机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。

电主轴是高速机床的“心脏部件”,是高速精密且承受较大的径向和轴向切削负荷的旋转部件。轴承作为其关键的支承技术首先必须满足高速运转的要求,并且有较高的回转精度和较低的温升;其次,必须具有尽可能高的径向和轴向刚度。此外,还要具有较长的使用寿命,特别是保持精度的寿命。因此,轴承的性能对电主轴的使用功能极为重要。

目前使用在高速主轴中的轴承主要有：液体静压轴承、空气静压轴承等。2.3.1液体静压轴承的高速主轴

液体静压轴承运转时，在轴颈处形成高压油膜，把轴悬浮抬起，形成液体摩擦，使主轴能高速运转。通过对液体静压轴 承元件的几何形状进行优化设计，转速特征值可达1.0×106 mm.r/min；若轴径为30mm的主轴，其最高转速可达3000r/min以上。

图2是典型液体静压轴承主轴结构原理图，液体静压轴承常用的液压为0.6~1MPa，液体静压轴承主轴的运动精度很高，回转误差一般在0.2um以下。不但可以提高刀具的使用寿命，而且可以达到很高的加工精度和低的表面粗糙度

图2 典型液体静压轴承主轴结构原理图 1-径向轴承 2-推力轴承 3-真空吸盘

值。制造模具时，使用液体静压主轴的液体摩擦损失大，故驱动功率损失比滚珠轴承大。同时为减少高速运转发热，静压轴承的轴径不宜过大，这类高速主轴其径向刚度较低，但轴向刚度能过超滚珠轴承主轴。因此，选用何种轴承必须根据具体应用要求来定。

液体静压轴承有较高的刚度和回转精度，但也有下列缺点有待解决：（1）液体静压轴承的油温升高，在不同转速的温升值不等，因此要控制恒温较难，同时温升将造成热变形，影响主轴精度。

（2）静压油回油会将空气带入油源，形成微小气泡悬浮在油中，不易排出，因此将降低液体静压轴承的刚度和动特性。

为解决这些问题，一般采用如下措施：

（1）提高静压油的压力到6~8MPa，使油中微小气泡的影响减小，提高了静压轴承的刚度和动特性。

（2）静压轴承用油经温度控制，基本达到恒温，减少轴承的温升。（3）轴承用恒温水冷却，减小轴承的温升。2.3.2空气静压轴承的高速主轴

空气静压轴承能在轴颈处形成高压气膜，降低摩擦，实现主轴高速运转。空气静压轴承高速主轴的转速特征值可达2.7×106 mm.r/min，回转误差在0.05um以下，最高转速可达10000r/min。采用金刚石刀具可以进行镜面铣削，加工各种复杂的高精度面。

空气静压轴承高速主轴的优点在于高回转精度、高转速和低温升，因此造成的热变形误差很小，空气轴承的应用促成了超精密机床的发展，而空气轴承的主要问题是刚度低，只能承受较小的载荷。

（1）圆柱径向轴承和端面止推空气静压轴承

（2）双半球空气轴承主轴

（3）前部用球形，后半部用圆柱径向空气轴承的主轴

（4）立式空气轴承

2.3.3磁悬浮轴承的高速主轴

磁悬浮轴承利用磁力把轴颈抬起运转，能使主轴达到更高的转速，转速特征值可达4.0×106 mm.r/min，为滚珠轴承主轴的两倍。目前使用的磁悬浮主轴的回转精度可达0.2um。磁悬浮主轴的优点是高精度、高转速和高刚度；缺点是磁悬 浮轴承由于价格昂贵，控制系统复杂，发热问题难以解决，因而还无法在高速主轴单元上推广应用。2.3.4混合陶瓷轴承的高速主轴

用氮化硅制的滚珠与钢制轨道相组合，在高速转动时离心力小，刚性好，温度低，寿命长，功率可达80kW，转速高达150000r／min。它的标准化程度高，便于维护，价格低，是目前在高速切削机床主轴上使用最多的支承元件。2.4电主轴中的关键技术

电主轴在设计生产过程中会遇到很多的技术性问题，其中要解决的关键技术问题主要有：内置电机的散热问题；高速轴承的类型选择及润滑技术；主轴回转组件的动平衡设计；主轴电机驱动控制模块的选择；主轴端部与刀柄的接口技术等。

内置电机散热问题是电主轴特有的技术难题，处理不好会造成主轴过高的温升，影响机床工作的可靠性和所能达到的最高转速。目前解决这个问题有两条路径：（1）对于交流感应式电机，可以在电机定子外面加装一个铝制圆环，圆环外表面有螺栓槽。工作时，可将循环冷却液（油或水）通入该螺旋槽中，从而把电机定子产生的热量带走。但转子产生的热量（约占电机总热量的1/3）很难全部带走；（2）采用交流永磁式主电机，这种电机的转子用包含稀土元素的永久磁铁制成，转子不发热，从而可大大改善电主轴的发热特性，可用风冷代替上述液冷装置，而且结构紧凑、扭矩大，可扩大空心主轴的内孔直径，当用于卧式数控车床或车铣中心时，还可以提高棒料的通过能力。

电主轴是一种超高速运转部件，结构上微小的不平衡量，在高速下都会产生巨大的离心力，造成机床的振动，影响加工精度和表面质量。因而电遵循主轴设计必须严格对称设计原则，键连接和螺纹连接在这里被禁止使用。转子和主轴之间用过盈配合实现扭矩的传递，主轴、主轴上的零件和主轴箱都必须经过十分精密的加工、装配和调校，使主轴组件的动平稳度达到G0.4级以上的水平。

图2 扭矩-功率特性

这种无外壳主轴电机有两种驱动和控制方式：变频器控制和矢量控制。其扭矩、功率与转速的关系如图2所示。对于普通变频器（图2a），其控制特性为恒扭矩驱动，输出功率与转速成正比，这种驱动器在低速时不够稳定，不能满足低速大扭矩（粗加工）的要求，也不具备主轴准停和C轴控制功能，但价格便宜，一般用于磨床、小孔钻床、雕刻铣和普通的高速铣床等。矢量控制驱动器的控制特性如图2b所示。其控制特性是：低速段为恒扭矩驱动，中高速段为恒功率控制。这种驱动器在0转速时仍有很大的扭矩，再加上电主轴的惯性很小，因此可实现主轴启动时瞬间（1~2秒）达到最高速。这种驱动器用角度传感器实现位置 9

和速度的反馈，进行闭环控制，可实现主轴准停和C轴控制。这种驱动器一般用于高速加工中心和车削中心。

在高速加工中还需要注意一个特殊问题就是电主轴与刀具的联接。一般通过刀柄作为机床主轴与刀具的接口。不正确的接口结构，会影响机床主轴的动平衡和高速切削的可靠性。标准的7/24的锥形联接有许多优点：因不自锁，可实现刀具的快速装卸，这点对加工中心尤为重要；刀柄的椎体在拉杆轴向拉力作用下紧紧地与主轴的内锥孔接触，可以减少刀具的悬伸量。此外它只有一个尺寸（锥角）需要加工，所以成本较低，目前应用非常广泛。但是7/24锥形联接在高速旋转时有一个致命的缺点：主轴空心锥孔端部的扩张量大于实心刀柄的扩张量，造成刀具的轴向变位和径向振摆，更严重的是影响了高速加工的可靠性与安全。在高速电主轴与刀具接口的研究中，目前较成功的是德国的HSK型刀柄和美国的KM型刀柄，他们都摒弃了原有的7/24标准锥度。其中以HSK刀柄更为流行，并已纳入国际标准。HSK空心刀柄由1/10短锥面（径向）和法兰端面共同实现与电主轴的轴向定位和刚性连接，较好地解决了7/24锥柄刀具存在的上述问题。3.高速电主轴对数控机床的意义

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。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；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。

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。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。

电主轴是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。

4.总结

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。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一，是高精度、高效率高档数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等尖端产品制造领域所需高档加工母机的核心部件。

目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。

近年来，我国数控机床功能部件，虽有很大发展，特别是电主轴的发展也相当快，但与国外的电主轴的发展技术相比，我们国家的水平还相当的落后，电主轴技术也存在许多的技术问题，对数控铣床的发展起到很大的制约作用。对电主轴的要求也越来越高，还需对大功率、高转速、高主轴回转精度，对电机驱动方式、动平衡测试技术、高速主轴的准停控制、轴承和润滑等一系列问题进一步深入研究。朝着高速高精度化的趋势发展。我们必须进一步研究，使我国的数控铣床的电主轴技术更进一步发展。

5.参考文献

[1]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术[M].北京:机械工业出版社,2006.[2]孟杰,陈小安.电主轴动力学分析的传递矩阵法[J].机械设计,2008,25(7):37-40.[3]潘建新，周志雄.高速主轴及其润滑冷却形式[J].润滑与密封，2006.[4]肖曙红，张伯霖等.高速电主轴关键技术的研究.1992 [5]张伯霖，张志润，肖曙红．超高速加工与机床的零传动嘲，中国机械工程，1996.[6]尹欣，张臻．超高速加工中心的主轴轴承及润滑方式[J]，机械制造，2003.[7]李立毅，崔淑梅，宋凯，程树康．高频电主轴的发热及其对策阴，微电机，2000.12