⾼速主轴单元（电主轴）的⼯作原理及国内外的发展状况⽯油⼤学2012-2013学年第⼆学期《现代制造技术》考查 姓名
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⾼速主轴单元（电主轴）的⼯作原理及国内外的发展状况摘要：本⽂介绍了有关⾼速电主轴的⼯作原理和基本结构，以及⾼速电主轴的关键技术，综述其应⽤及国内外发展状况。
1、概述
⾼速数控机床（CNC）是装备制造业的技术基础和发展⽅向之⼀，是装备制造业的战略性产业。⾼速数控机床的⼯作性能，⾸先取决于⾼速主轴的性能。数控机床⾼速电主轴单元影响加⼯系统的精度、稳定性及应⽤范围，其动⼒性能及稳定性对⾼速加⼯起着关键的作⽤。⾼速电主轴是⾼速机床的核⼼部件 ，它将机床主轴与电机轴合⼆为⼀ ，即将主轴电机的定⼦、转⼦直接装⼊主轴组件的内
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”。具有结构紧凑、重量轻、惯性⼩、动态特性好等优点 ，并改善了机床的动平衡 ，避免振动和噪声 ，在超⾼速机床中得到了⼴泛的应⽤。随着⾼速加⼯技术的迅猛发展和⼴泛应⽤ ，各⼯业部门特别是航天、航空、汽车、摩托车和模具加⼯等⾏业 ，对⾼速度、⾼精度数控机床的需求与⽇俱增。这迫切需要开发出更加优质的⾼速电主轴。⾼速电主轴是⼀套组件 ，它包括电主轴及其⼀些附件 ：电主轴、⾼速变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换⼑装置 ，因此它融合了⾼速轴承技术、冷却技术、润滑等技术。⾼速轴承技术是⾼速电主轴技术中很关键的技术。
2、电主轴的⼯作原理、典型结构及优点
2.1电主轴的⼯作原理
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。
2.2电主轴的典型结构
电主轴单元典型的结构布局⽅式是电机置于主轴前、后轴承之间（如图所⽰），其优点是主轴单元的轴向尺⼨较短，主轴刚度⼤，功率⼤，较适合于⼤、中型⾼速数控机床；其不⾜是在封闭的主轴箱体内电机的⾃然散热条件差，温升⽐较⾼。
电主轴的结构⽰意图
1电源接⼝2电动机反馈3后轴承4⽆外壳主轴电动机5主轴6主轴箱体7前轴承
2.3电主轴的优点
电主轴省去了带轮或齿轮传动，实现了机床的“零传动”，提⾼了传动效率。电主轴的刚性好、回转精度⾼、快速响应性好，能够实现极⾼的转速和加、减速度及定⾓度的快速准停（C轴控制），调速范围宽。
3、电主轴的关键技术
“电主轴”的概念不应简单理解为只是⼀根主轴套筒，⽽应该是⼀套组件，包括：定⼦、转⼦、轴承、⾼速变频装置、润滑装置、冷却装置等。因此电主轴是⾼速轴承技术、润滑技术、冷却技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机⾼速驱动等技术的综合运⽤。
3.1电主轴的⾼速轴承技术
实现电主轴⾼速化精密化的关键是⾼速精密轴承的应⽤。⽬前在⾼速精密电主轴中应⽤的轴承有精密滚动轴承、液体动静压轴承、⽓体静压轴承和磁悬浮轴承等，但主要是精密⾓接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚⼦轴承。液体动静压轴承的标准化程度不⾼；⽓体静压轴承不适合于⼤功率场合；磁悬浮轴承由于控制系统复杂，价格昂贵，其实⽤性受到限制。
⾓接触球轴承不但可同时承受径向和轴向载荷，⽽且刚度⾼、⾼速性能好、结构简单紧凑、品种规格繁多、便于维修更换，因⽽在电主轴中得到⼴泛的应⽤。⽬前随着陶瓷轴承技术的发展，应⽤最多的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即滚动体使⽤
Si3N4陶瓷球，采⽤“⼩珠密珠”结构，轴承套圈为GCr15钢圈。这种混合轴承通过减⼩离⼼⼒和陀螺⼒矩，来减⼩滚珠与沟道间的摩擦，从⽽获得较低的温升及较好的⾼速性能。陶瓷球混合轴承与钢球轴承相⽐，优点如下：（1）陶瓷与钢组成的陶瓷球轴承摩擦性能⾮常好，能降低材料与润滑剂的应⼒。（2）因陶瓷密度低，可降低运转时的离⼼⼒。
（3）陶瓷较低的热膨胀系数有效降低了轴承预加负荷的变化。
（4）陶瓷的弹性模量较⾼，可以提⾼轴承的刚性。
上述因素⼤幅度地延长了轴承的寿命和提升了轴承的运转极限速度。
3.2电主轴的润滑技术
⾼速电主轴必须采⽤合理的、可控制的轴承润滑⽅式来控制轴承的温升，以保证数控机床⼯艺系统的精度和稳定性。采⽤滚动轴承的电主轴的润滑⽅式⽬前主要有脂润滑、油雾润滑和油⽓润滑等⽅式。
脂润滑在转速相对较低的电主轴中是较常见的润滑⽅式。脂润滑型电主轴的润滑
系统简单、使⽤⽅便、⽆污染、通⽤性强。
油雾润滑具有润滑和冷却双重作⽤，它以压缩空⽓为动⼒，通过油雾器将油液雾化并混⼊空⽓流中，然后把其输送到需要润滑的位置。油雾润滑所需设备简单，维修⽅便，价格⽐较便宜，是⼀种普遍使⽤的⾼速电主轴润滑⽅式。但它有污染环境，油耗⽐较⾼等缺点。随着⼈们对环保要求的提⾼，油雾润滑⽅式必将逐渐被淘汰。
油⽓润滑技术是利⽤压缩空⽓将微量的润滑油分别连续不断地、精确地供给每⼀套主轴轴承，微⼩油滴在滚动和内、外滚道间形成弹性动压油膜，⽽压缩空⽓则可带⾛轴承运转所产⽣的部分热量。
实践表明在润滑中供油量过多或过少都是有害的，⽽前两种润滑⽅式均⽆法准确地控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和寿命的提⾼。⽽新近发展起来的油⽓润滑⽅式则可以精确地控制各个摩擦点的润滑油量，可靠性极⾼。实践证明，油⽓润滑是⾼速⼤功率电主轴轴承的最理想润滑⽅法，但其所需设备复杂，成本⾼。由于油⽓润滑⽅式润滑效果理想，⽬前已成为国际上最流⾏的润滑⽅式。
3.3电主轴的热源分析及其冷却
电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此引起的热变形会严重降低机床的加⼯精度和轴承使⽤寿命，从⽽导致电主轴的使⽤寿命缩短。
电主轴由于采⽤内藏式主轴结构形式，位于主轴单元体中的电机不能采⽤风扇散热，因此⾃然散热条
件较差。电机在实现能量转换过程中，内部产⽣功率损耗，从⽽使电机发热。研究表明，在电机⾼速运转条件下，有近1/3的电机发热量由电机转⼦产⽣，并且转⼦产⽣的绝⼤部分热量都通过转⼦与定⼦间的⽓隙传⼊定⼦中；其余2/3的热量产⽣于电机的定⼦。所以，对电机产⽣发热的主要解决⽅法是对电机定⼦采⽤冷却液的循环流动来实⾏强制冷却。典型的冷却系统是⽤外循环⽔式冷却装置来冷却电机定⼦，将电机的热量带⾛。
⾓接触球轴承的发热主要是滚⼦与滚道之间的滚动摩擦、⾼速下所受陀螺⼒矩产⽣的滑动摩擦以及润滑油的粘性摩擦等产⽣的。减⼩轴承发热量的主要措施：
（1）适当减⼩滚珠的直径减⼩滚珠直径可以减⼩离⼼⼒和陀螺⼒矩，从⽽减⼩摩擦，减少发热量。
（2）采⽤新材料⽐如采⽤陶瓷材料做滚珠，陶瓷球轴承与钢质⾓接触球轴承相⽐，在⾼速回转时，滚珠与滚道间的滚动和滑
动摩擦减⼩，发热量降低。（3）采⽤合理的润滑⽅式油⽓和油雾等润滑⽅式对轴承不但具有润滑作⽤，
还具有⼀定的冷却作⽤。
3.4电主轴的设计和装配
电主轴要获得好的性能和使⽤寿命，必须对电主轴各个部分进⾏精⼼设计和制造。电主轴的定⼦由具有⾼导磁率的优质矽钢⽚迭压⽽成，定⼦内腔带有冲制嵌线槽。转⼦由转⼦铁芯、⿏笼和转轴三部分组成。主轴箱的尺⼨精度和位置精度也将直接影响主轴的综合精度。通常将轴承座孔直接设计在主轴箱上，为加装电机定⼦，必须⾄少开放⼀端。
主轴⾼速旋转时，任何⼩的不平衡质量即可引起电主轴⼤的⾼频振动。因此精密电主轴的动平衡精度要求达到G1~G0.4级。对于这种等级的动平衡，采⽤常规的⽅法即仅在装配前对主轴上的每个零件分别进⾏动平衡是远远不够的，还需在装配后进⾏整体的动平衡，甚⾄还要设计专门的⾃动平衡系统来实现主轴的在线动平衡。另外，在设计电主轴时，必须严格遵守结构对称原则，键联接和螺纹联接在电主轴上被禁⽌使⽤，⽽普遍采⽤过盈联接，并以此来实现转矩的传递。过盈联接与螺纹联接或键联接相⽐有：不会在主轴上产⽣弯曲和扭转应⼒，对主轴的旋转精度没有影响；主轴的动平衡易得到保证等优点。转⼦与转轴之间的过盈联接分为两类，⼀类是通过套筒实现的，此结构便于维修拆卸；另⼀类是没有套筒，转⼦直接过盈联接在转轴上，此类联接转⼦装配后不可拆卸。由于内孔与转轴配合⾯之间有很⼤的过盈量，所以转⼦与转轴可以采⽤转轴冷缩和转⼦热胀法装配。带有套筒的联接拆卸时，需向转⼦套筒上预留的油孔中⾼压注油，迫使转⼦的过盈套筒涨开，即可顺利拆卸下电机的转⼦。电机定⼦通过⼀个冷却套固定装在电主轴的箱体中。
3.5电主轴的运动控制
在数控机床中，电主轴通常采⽤变频调速⽅法。⽬前主要有普通变频驱动和控制、⽮量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制⽅式。
普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正⽐。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，⼀般⽤于磨床和普通的⾼速铣床等。
红外多点触摸屏⽮量控制技术模仿直流电动机的控制，以转⼦磁场定向，⽤⽮量变换的⽅法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。⽮量控制驱动器在刚启动时具有很⼤的转矩值，加之电主轴本⾝结构简单，惯性很⼩，故启动加速度⼤，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器⼜有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；⽽前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。
直接转矩控制是继⽮量控制技术之后发展起来的⼜⼀种新型的⾼性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于⾼速电主轴的驱动，更能满⾜⾼速电主轴⾼转速、宽调速范围、⾼速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的⼀个热点技术。
4、⾼速电主轴对装备制造业促进和发展
4.1⾼速电主轴对数控机床的发展以及⾦属切削技术的影响
对于数控机床模块化设计、简化机床结构、提⾼机床性能⽅⾯的作⽤：
(1)简化结构，促进机床结构模块化
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。
(2)降低机床成本，缩短机床研制周期
⼀⽅⾯，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；另⼀⽅⾯，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。
(3)改善机床性能，提⾼可靠性
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。
(4)实现某些⾼档数控机床的特殊要求
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。
4.2促进了⾼速切削技术在机械加⼯领域的⼴泛应⽤
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，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。
5、⾼速电主轴在国内外的发展状况
5.1国外电主轴技术的发展趋势
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。
5.2我国电主轴技术的现状及与国外的差距
国内从事电主轴研究与⽣产的企业总体上来说与国外上述公司相⽐在产品
研发以及技术的创新能⼒上不具有优势，但是具有相对的成本优势。国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试⼯作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉⼑机构、动⼒油缸或⽓缸、主轴轴承润滑油品等全部实⾏采购，在产业的分⼯与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分⼯的细致，机床主轴⽣产商与各附件⽣产商之间形成了良性的循环，各⾃针对本专业的关键技术投⼊⼈⼒物⼒进⾏科技攻关，由此带动了国外电主轴⾏业的整体技术进步。反观国内⼚商，各⾃为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承⾏业的技术归⼝所拥有⼀定的综合研发实⼒外，其他的企业基本上是在模仿国内外同⾏的产品进⾏⽣产，技术实⼒较弱，创
新能⼒严重不⾜。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加⼯⼯艺、内装式主轴电机、松拉⼑接⼝、主轴轴承润滑油品等⽅⾯没有⾃⼰独⽴的知识产权和核⼼技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动⼒油缸或⽓缸、智能传感器等⽅⾯表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下。这也是直到⽬前为⽌制约国产⾼档数控机床发展的关键原因所在。
国产电主轴和国外产品相⽐较，⽆论是性能、品种和质量都有较⼤差距，国产电主轴产品和国外的相
⽐较，主要存在以下差距:①国外电主轴低速段的输出扭矩最⼤可达 1000N·m ，⽽我国⽬前仅在300N·m以内。②在⾼转速⽅⾯，国外⽤于加⼯中⼼的电主轴转速已达 75000r/min，我国则多在 30000r/min以内。
③电主轴的轴承润滑，国外普遍采⽤油⽓润滑，⽽我国仍⽤油脂润滑。④其他配套技术也有较⼤差距，如主轴电机⽮量控制、交流伺服控制技术、精确定向技术、快速启动、停⽌等。⑤在产品的品种、规格、数量和制造规模等⽅⾯，国产电主轴仍然处于⼩量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不能满⾜国内数控机床和加⼯中⼼发展的需求。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能⼒，国际上涉及电主轴的⽐如编码器系统、⼑具接⼝、电机⼯作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和⽣产的，这是他们最具有优势的地⽅。
(1)在电主轴的低速⼤转矩⽅⾯，国外产品低速段的输出转矩可以达到
300N·m以上，有的更是⾼达600多N·m(如德国的CYTEC)，⽽国内⽬前则多在100N·m 以内。
(2)在⾼速⽅⾯，国外⽤于加⼯中⼼电主轴的转速已经达到75000r／min(意⼤利CAMFIOR)，⽽我国则多在20000r／min以下。其它⽤途的电主轴，国外已经达到了250000r／min(英国WestWind公司D1733)，⽽我国电主轴的最⾼转速为150000r／min。
手摇三轮车(3)在电主轴的润滑⽅⾯，国外⾼速电主轴轴承已经普遍采⽤先进的油⽓润滑技术，⽽我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。
(4)在电主轴的功能和性能⽅⾯，国外已经在发展多功能、⾼性能的数控机床⽤电主轴产品，⽽我国仍然以常规产品为主要发展⽅向。
(5)在电主轴的⽀承技术⽅⾯，国外已经有动、静压液(⽓)浮轴承电主轴(瑞⼠IBAG等)、磁浮轴承电主轴(瑞⼠IBAG)的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究或⼩批量试制之中。
(6)在其它与电主轴相关配套技术⽅⾯，如电主轴内装电机闭环⽮量控制技术、交流伺服技术、停机⾓向准确定位(准停)技术、C轴传动技术、快速启动与停⽌技术、HSK⼑柄制造与应⽤技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满⾜实际应⽤需要。纬编针织布
(7)在产品的品种、数量及制造规模⽅⾯，尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但仍然以磨床⽤电主轴为主，对于数控机床⽤⾼速电主轴，则仍然处于⼩量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化⽣产，还⽆法与国外先进⽔平相⽐，远远不能满⾜国内市场⽇益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能⼒。
6、电主轴技术的发展趋势主要表现在以下⼏个⽅⾯：
1）继续向⾼速度、⾼刚度⽅向发展
2）向⾼速⼤功率、低速⼤转矩⽅向发展
3）进⼀步向⾼精度、⾼可靠性和延长⼯作寿命⽅向发展
4）电主轴内装电机性能和形式多样化
5）快速启动、停⽌响应速度加快
6）轴承及其预载荷施加⽅式、润滑⽅式多样化
汇流板7）⼑具接⼝逐步趋于HSK、Capto⼑柄技术
8）向多功能、智能化⽅向发展
参考⽂献：
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【2】熊万⾥，等·⾼速⼤功率精密电主轴中的关键技术[J]·组合机床与⾃动化加⼯技术, 2002 (5): 20玻璃纤维带
【3】中国机床⼯具⼯业协会数控系统分会.CIMT2001巡礼［J］.世界制造技术与装备市场，2001(5)：13-17.电子倾斜仪
【4】尹颀，张臻·超⾼速加⼯中的主轴轴承及润滑⽅式[J]·机械制造, 2003, 41 (12): 13-15·
【5】张伯霖，夏红梅，黄晓明·⾼速电主轴设计制造中若⼲问题的探讨[J]·制造技术与机床, 2001 (7): 12
【6】杨柳欣，李松⽣·⾼速电主轴轴承的油⽓润滑及其应⽤[J]·轴承, 2003 (3): 23-25·
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