高速电主轴关键技术与发展趋势

1、什么是电主轴？什么是电主轴？电机内装式主轴的简称电机内装式主轴的简称 （high-speed motorized spindlehigh-speed motorized spindle）将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部将主轴电机的定子、转子直接装入主轴组件内部 即将主轴与电动机合二为一即将主轴与电动机合二为一通过交流无级调速使主轴获得所需的工作转速和通过交流无级调速使主轴获得所需的工作转速和扭矩扭矩广泛应用于高速高精度机床加工广泛应用于高速高精度机床加工决定高速高精度机床发展的关键技术之一决定高速高精度机床发展的关键技术之一（1 1）结构简单，无需皮带、齿轮等中间传动，空间紧凑。）结

2、构简单，无需皮带、齿轮等中间传动，空间紧凑。 现代某些机床由于结构空间限制，使用电主轴会方便得多。现代某些机床由于结构空间限制，使用电主轴会方便得多。（2 2）采用变频器控制使得主轴调速范围增大，调速简单方便。）采用变频器控制使得主轴调速范围增大，调速简单方便。（3 3）减少了中间传动环节的能量损失和动力传递不均，）减少了中间传动环节的能量损失和动力传递不均， 主轴振动小、加工精度高、噪声低、传动效率高，主轴振动小、加工精度高、噪声低、传动效率高， 同时还能减少环境污染。同时还能减少环境污染。（4 4）安装方便，调试简单）安装方便，调试简单。电主轴的优点电主轴的优点电主轴的结构特点电主轴的结构

3、特点在高速主轴轴承的研制在高速主轴轴承的研制 主轴电机及控制技术主轴电机及控制技术 高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制高速和高精度情况下的冷却技术和振动的抑制主轴零件与电机的装配问题主轴零件与电机的装配问题电主轴的关键技术电主轴的关键技术高速高刚度高速高刚度设计非常高精度的主轴而言设计非常高精度的主轴而言, , 很高的很高的DmNDmN值值( (指主轴指主轴轴承的平均直径轴承的平均直径(mm)(mm)与主轴与的极限转速与主轴与的极限转速(r/min)(r/min)的乘积值的乘积值), ), 应该满足在要求的转速下的应该满足在要求的转速下的DmNDmN值。值。电主轴的最高转速取决于轴承的大

4、小布置和润电主轴的最高转速取决于轴承的大小布置和润 滑方法。滑方法。高速主轴轴承高速主轴轴承高速性能好高速性能好动态负荷承载力高动态负荷承载力高 润滑性能好润滑性能好 发热量小发热量小高速主轴轴承高速主轴轴承高速主轴轴承高速主轴轴承常用轴承常用轴承优点优点缺点缺点滚动轴承 好的高速性能 价格低巨大的离心力和陀螺力矩动载荷超出切削负荷磁悬浮轴承综合性能好控制较复杂 技术不够成熟混合陶瓷球轴承陶瓷球膨胀系小提高速度使用寿命降低了轴温价格较高主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩主轴电机设计决定了主轴的最大功率和力矩, , 以以及电主轴的性能。及电主轴的性能。永磁同步电动机永磁同步电动机 控制精度高

5、，调速范围广控制精度高，调速范围广 结构紧凑，适合高精度强力重载加工场合结构紧凑，适合高精度强力重载加工场合伺服控制多采用矢量控制算法伺服控制多采用矢量控制算法, , 控制系统由电流控制系统由电流内环速度环和位置环组成，全数字处理器实现。内环速度环和位置环组成，全数字处理器实现。主轴电机及控制技术主轴电机及控制技术大功率高转速永磁主轴电机方面与发达国家差大功率高转速永磁主轴电机方面与发达国家差距较大距较大, , 特别是特别是功率功率40kw,40kw,转速转速10000r/min10000r/min以上以上的永磁主轴电机及其控制技术的研究的永磁主轴电机及其控制技术的研究仍是我国仍是我国目前电主

6、轴研制的一项关键技术。目前电主轴研制的一项关键技术。主轴电机及控制技术主轴电机及控制技术电主轴润滑及冷却技术电主轴润滑及冷却技术 温升的影响温升的影响（1 1）主轴、工件热变形）主轴、工件热变形（2 2）导致永磁体的永久退磁）导致永磁体的永久退磁, , 直接影响电机性能直接影响电机性能 润滑系统：润滑系统： 冷却系统与润滑系统的设计关系密切冷却系统与润滑系统的设计关系密切, ,如果润滑系统性能优越如果润滑系统性能优越, , 则会产生相对较少的热量则会产生相对较少的热量, , 也就减轻了冷却系统的负担。也就减轻了冷却系统的负担。因此均匀有效的润滑及冷却系统对高速电主轴系统的精度有因此均匀有效的润

7、滑及冷却系统对高速电主轴系统的精度有决定作用决定作用冷却系统：针对冷却系统：针对定转子和轴承的发热定转子和轴承的发热电主轴润滑及冷却技术电主轴润滑及冷却技术电主轴润滑及冷却技术电主轴润滑及冷却技术润滑系统：国内外高速电主轴润滑和冷却系统润滑系统：国内外高速电主轴润滑和冷却系统, , 一般均采用油气润滑系统一般均采用油气润滑系统动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能力。力。振动过大会出现剧烈的磨耗和破损振动过大会出现剧烈的磨耗和破损, , 增加主轴承增加主轴承载的动态负荷载的动态负荷, , 降低寿命和精度。降低寿命和精度。动平衡问题动平衡问题, ,

8、受迫力和自激振动能力两大因素，受迫力和自激振动能力两大因素， 都应具有良好的抵抗能力都应具有良好的抵抗能力电主轴动平衡技术电主轴动平衡技术国内高速电主轴技术发展国内高速电主轴技术发展6060年代年代主要用于零件内表面磨削主要用于零件内表面磨削, , 这种电主轴的功率低这种电主轴的功率低, , 刚度小刚度小, , 并且它采用无内圈式向心推力球轴承并且它采用无内圈式向心推力球轴承, , 限制了高速电主轴的产业化限制了高速电主轴的产业化8080年代年代研制出系列高刚度高速电主轴研制出系列高刚度高速电主轴, , 广泛应用于各种内圆磨床和广泛应用于各种内圆磨床和各个机械制造领域各个机械制造领域9090年

9、代年代由磨用电主轴转向铣用电主轴由磨用电主轴转向铣用电主轴, , 它不仅能加工各种形体复杂的模具它不仅能加工各种形体复杂的模具, , 而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴。而且开发了用于木工机械用的风冷式高速铁用电主轴。推动了高速电主轴在铁削中的应用推动了高速电主轴在铁削中的应用国内生产的磨削用电主轴的转速在国内生产的磨削用电主轴的转速在15O00r/min15O00r/min以内以内加工中心用电主轴的转速最高加工中心用电主轴的转速最高3000Or/min 3000Or/min 转矩达转矩达2OONm2OONm的加工中心用电主轴转速只的加工中心用电主轴转速只4000r/min4000

10、r/min车削用电主轴最高转速可达车削用电主轴最高转速可达12000r/min.12000r/min.最大功率只有最大功率只有llkwllkw在电主轴的润滑方面在电主轴的润滑方面, , 国外普遍采用先进的油气润滑技术国外普遍采用先进的油气润滑技术而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主而我国主要以油脂润滑和油雾润滑为主国内高速电主轴技术发展国内高速电主轴技术发展国内研究机构：国内研究机构：（1 1） 洛阳轴承研究所洛阳轴承研究所 早在早在1 1958 958 年就研制出了磨用电主轴年就研制出了磨用电主轴 之后又研发了大功率高转速系列电主轴之后又研发了大功率高转速系列电主轴, , 磁悬浮和气静压电主轴

11、等磁悬浮和气静压电主轴等 90 90 年代将电主轴在应用于大型数控铣床、加工中心和数控车床年代将电主轴在应用于大型数控铣床、加工中心和数控车床 我国电主轴技术的引领者我国电主轴技术的引领者（2 2） 广州工业大学高速加工和机床研究所广州工业大学高速加工和机床研究所 开发研制了多种电主轴开发研制了多种电主轴, , 并应用于数控铣床并应用于数控铣床 由于近些年数控加工技术的飞速发展由于近些年数控加工技术的飞速发展 同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取同济大学、北京机床研究所和上海机床厂在高速电主轴方面也取 得了很大的成就得了很大的成就 国内高速电主轴技术发展国内高速电主轴技术发

12、展世界著名的机床电主轴功能部件制造商（系列化、标准化）世界著名的机床电主轴功能部件制造商（系列化、标准化） 美国福特公司和美国福特公司和Ingersoll公司联合推出的公司联合推出的HVM800卧式加卧式加工中心的大功率电主轴最高转速达工中心的大功率电主轴最高转速达15000r/min，由静止升，由静止升至最高转速仅需至最高转速仅需15s。瑞士瑞士IBAG公司公司技术领先，被公认为代表了行业的发展趋势技术领先，被公认为代表了行业的发展趋势 电主轴最大转速可达电主轴最大转速可达140000r/min ,直径范围直径范围33到到300mm, 功率范围功率范围125W-80kW，扭矩范围，扭矩范围0

13、.02 一一300Nm 有瑞士的有瑞士的Fisller公司、德国的公司、德国的GMN公司、公司、Hofer公司、西门公司、西门子、意大利的子、意大利的Faemat公司和公司和Gamfior公司等。公司等。国外高速电主轴技术发展国外高速电主轴技术发展（1）功率大）功率大 转速高转速高（2）采用高速、高刚度轴承）采用高速、高刚度轴承 主要有陶瓷轴承和液体动静压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精密加工与精密装配工艺水平高（4） 配套控制系统水平高配套控制系统水平高 转子自动平衡系统转子自

14、动平衡系统 轴承油气润滑与精密控制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主轴变形温度补偿精密控制系统国外高速电主轴技术发展国外高速电主轴技术发展国内外高速电主轴技术的主要对比向高速度、高刚度方向发展向高速度、高刚度方向发展向高速大功率、低速大转矩方向发展向高速大功率、低速大转矩方向发展电机形式与控制方式多样化方向发展电机形式与控制方式多样化方向发展高速电主轴的发展趋势高速电主轴的发展趋势 我国是一个机械制造大国我国是一个机械制造大国, , 也是一个数控机床应用大国也是一个数控机床应用大国 我国数控机床经历了二十多年的发展历程我国数控机床经历了二十多年的发展历程, , 形成了一定形成了一定 的生产规模的生产规模, , 具备了进一步发展的基础。具备了进一步发展的基础。 但在数控机床品种、质量和性能等方面与发达国家还存但在数控机床品种、质量和性能等方面与发达国家还存 在较大差距在较大差距, , 很难能满足市场需求很难能满足市场需求,