数控机床高速电主轴技术及应用

洛阳轴研科技股份有限公司 李彦

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。其中日本工业界善于汲取各国的研究成果并及时应用到新产品开发中去，尤其在超高速切削机床的研究和开发方面后来居上，现己跃居世界领先地位。日本厂商现己成为世界上超高速机床的主要提供者。在我国，也开始有厂家生产超高速机床。

中国机床工具行业近几年的快速发展，受到世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术发展主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种发展上进步明显。在CIMT2003 届展会的高速加工中心展品有 30 多台，占参展国产加工中心总数的 30%。在高速加工中心展品中，宁江机床集团公司的NJ-5HMC40卧式加工中心最高主轴转速达40000r / min，快速行程达 60m / min 。在高精度产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，成都托普数控机床公司的 PMC600高速立式加工中心，大连机床集团有限公司的 DHSC500 高速卧式加工中心，沈阳机床股份有限公司的 BW60HS / 1 卧式加工中心等。

高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发展，带动了相关技术及数控功能部件的专业化生产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的核心组成部分。主机技术水平的不断提高，要求配套的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。没有高质量的功能部件，数控机床的迅速发展也将成为一句空话。

国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在主机上的应用。我国数控机床的发展历程充分证明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我国数控机床发展的瓶颈问题之一。功能部件跟不上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能部件产业的支持。我们要抓住目前的黄金发展机遇，学习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同为做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床的发展而努力奋斗。

二、高速电主轴的结构组成

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≥10,000r/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1或2μm，轴向窜动小于1μm。此外，主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削负荷和保持高的回转精度。

高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机床主轴与变频电机轴合二为一，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（built in motor spindle），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，并可改善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主轴单元的理想结构。

高速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。

从目前发展现状来看，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，而且越来越多地采用电主轴类型。电主轴技术包括高速主轴轴承、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。

在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命，影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振动问题是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择，这是因为：

（l）如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传动，则在高速运转条件下，所产生的振动和噪声等问题难以解决，必会影响机床的加工精度、加工表面粗糙度。 （2）为了提高生产率，要求在最短时间内实现高的速度变化，即主轴回转时要具有极大的角加速度。达到这个要求的最经济的办法，是将主轴传动系统的转动惯量尽可能地减小。而将电机内置，省掉齿轮、皮带等一系列中间环节，才是达到这一目标的理想途径。 （3）电机内置于主轴两支承之间，可提高主轴系统的刚度，也就是提高了系统的固有频率，从而提高了其临界转速值。

电主轴系统有三项性能指标是非常重要的，它们分别是:

1)使用寿命。指更换一次轴承时主轴的累计工作时间。实际上就是指轴承的使用寿命。 2)主轴前端径向刚度。是指电主轴工作端在单位径向力作用下产生的位移。这一指标对加工精度、生产效率影响很大。在其它条件相同的情况下，径向刚度越大，工作效率就越高。3)临界转速。是指当主轴旋转时，会使主轴出现挠度急剧增大、转动失稳现象的那些旋转速度。主轴工作转速应远离各阶临界转速，否则主轴将有可能处于共振区而产生剧烈振动。

这三项指标对于一根设计良好的主轴来说，均应达到预定的要求。在传统的电主轴设计中，由于缺乏必要的分析计算，只能等产品加工出来后再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不能满足预定的要求，则要修改设计，重新制做，这样必然导致产品的设计周期长，并且成本高。而现代设计方法则要求在设计过程中通过一些分析计算就应能够预测出主轴、轴承以及轴系的静、动态性能指标，在产品加工出来以前就能知道设计是否合理，从而大大缩短设计周期，降低生产成本。

三、国外高速电主轴的主要特点

从国外的情况来看，高速电主轴的主要特点如下：

1、功率大、转速高 目前单独实现电七轴的高转速或大功率在技术上已经不存在难题，但要同时实现高转速和大功率，则存在相当的技术难度。围绕高速电主轴技术，世界各国的公司展开了激烈竞争。

2、采用高速高刚度轴承 国外高速精密主轴均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。美国Ingersoll公司采用液体动静压轴承，最高转速达到40 000r／min；瑞士IBAG公司磁悬浮轴承最高到200000r／min。目前国内高速电主轴用轴承主要依赖进口，也有一部分采用国产的钢质角接触球轴承，但寿命有待进一步提高。

3、精密加工与精密装配工艺高 精密加工和精密装工艺是电主轴的核心技术之—。电主轴的上轴、前后轴承盖等的制造工艺要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，这些数控机床的关键零件必须进行精密加工或超精密加工，其尺寸误差一般在微米级或更小；对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都有极严格的要求。为了制造这些高精度零件，国外电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工设备，如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床等，同时还配备了高精度测试设备。在国内，如陶瓷轴承、异步型电动机转子等电主轴的关键零件制造中的关键问题还没有得到很好的解决， 影响了数控机床的制造水平。

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、主轴变形温度补偿精密控制系统等。例如，瑞士 Fischer公司和德国Hofmmm 公司生产电主轴配套的在线自动平衡系统，可以在线自动校正偏心，大幅度降低电主轴高速运行情况下的振动；SKF公司和NSK公司生产的轴承油气润滑系统，可以通过定时定量控制进气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平。

四、高速电主轴对数控机床的影响

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。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工业自动化网版权所有，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搜企网版权所有，占领电主轴技术发展的制高点。

[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.