电主轴助力高精高速高效加工——我国高性能机床主轴技术现状分析

轴最高转速 为６ ０ ｒ ｎ ０Ｏ ０／ ，油气润滑 型数控铣最 ｍｉ 高转速 为 １ ０Ｏ ０ ／ ｎ ４ ０ ｒ ｍｉ ，而大 功率 电主轴 的功 率
可 达 ８ ｋ ，转 速 为 １ ０ ｒ ｎ ０Ｗ ０ Ｏ ０／ ｍｉ ，其 最 大 转 矩 可 达 ３ ０ ｍ。 在 磨 用 电主 轴 方 面 ， 国 际主 轴 产 品 的 ８ Ｎ・
电主 轴是 将 机 床 主 轴 功能 与 电动 机功 能从 结 构
上融为一体的新型主轴部件 ，它省去 了皮带传动或
齿 轮 传 动 环 节 ，具 有 速 度 高 、 精 度 高 、调 速 范 围 宽 、振 动 噪 声小 、可快 速 起 动 和准 停 等 优 点 。用 电
械系统特性和 电磁特性的控制问题 。
的ｆ ，其效率可达４ ０ ｍｉ。Ｗｅ ｔ ｎ 公司的 ｌ ｑＬ ０ 次／ ｎ ｓ ｗｉｄ
Ｄ１３ ，采 用双 排 小 孔 节 流 轴 承 结 构 ，工作 转 速 可 ７３ 高 达 ２ ０Ｏ ０／ ｎ ５ ０ ｒ ｍｉ ，承 载 能 力 ５ Ｎ 右 。超 精 密 机 ０ 左
高性能机床主轴是指在满足加工精度和加工效率的 前提下 ，速度、精度、刚度 、功率 、转矩 匹配特性
好 ，可 靠性 高 ，性 能价 格 比 高 的机 床 主轴 。 机 床 主 轴按 所 采 用 的轴 承 类 型 可 分 为 滚动 轴 承
回转精度和极限转速高于液体 （ ）静压 电主轴和 动
滚 动轴 承 式 电主 轴 ，其 热稳 定 性 好 ，是 超 精 密 机 床 和 印刷 电路板 （ Ｃ Ｐ Ｄ）钻 床 不 可或 缺 的核 心 部 件 ， 其 不足 之 处在 于 承 载 能 力低 ，工艺 要 求 高 。 磁 悬 浮 轴 承也 是 一 类 重 要 的主 轴 支 撑 方 式 ，极
持 转 矩 大 于 １ ７ ｃ ，动 态 偏 摆 小 于 ８ ｎ ２ Ｎ・ｍ “Ｉ，最 小 钻 孔直 径 可 达 ００ ｒｍ。超 精 密机 床 气 体 轴 承 电主 ． ａ ５ 轴 领 域 ：北 京 机 床 研 究 所 开 发 的 ＮＡＭ 一８ ０ ２ ，主 轴 转 速 １Ｏ ０／ ｎ ０ｒ ｍｉ ，径 向 刚 度 １ ０ “ｉ ， 回转 精 ５ Ｎ・ ｎ 度００ “ｉ ，性 能 指 标 接 近 国 际水 平 且 已实 现 商 品 ．５ ｎ 化 ；北 京 精 密 机械 研 究 所 研 制 的金 刚 石 镗 床 ，采 用 了花 岗岩 制 造 的精 密空 气 轴 承 主轴 ；哈 尔 滨 工业 大 学 研 制 的 Ｃ 超 精 密 车 床 ，加 工 直 径 为 ３ ０ ＮＣ ０ ｍｍ， 回转 精 度达 ００ １。 ． ５ Ｔ Ｉ
高性能机床主轴的技术现状
１ 角接触球轴承 电主轴领域 ．
国内现有水平 ：在加工中心和数控铣床电主轴方 面 ，洛 阳轴承研究所开发了油气润滑型加工 中心电 主轴 ，额定功率和最高转速达２ ｋ ２ Ｗ、２ ０ ｒ ｉ ； ４０ ０／ ｎ ｍ 湖南大学研 制 的永磁 同步 型加 工中心龟 主轴 ，额 定功率３ ｋ ，最高转速 １ ０ ｒ ｎ ５Ｗ ８０ ０／ ，径向圆跳动 ｍｉ １ ｍ，动平衡精度Ｇ ．，配备Ｈ Ｋ— ６ 刀柄 ，采 ． ５ Ｏ４ Ｓ Ａ３
国 内 已生 产转 速 达 ２ ０ ｒ ｎ ０Ｏ ０／ ，主 轴 直径 ２ ｍｍ的 ｍｉ ８
主轴产品。 目前 国内液体 （ ）静压主轴的 回转精 动 度最高能达到０１ ｍ。 ．
国 际先进 水 平 ：德 国Ｈ Ｏ Ｔ Ｔ Ｋ公司开 发 的 ＹＰ Ｓ Ａ Ｉ
轴方面 ，洛 阳轴承研究所主轴产品Ｄ 盯 值达到 １０ ７～ ２０ ０ 万ｍｍ・ｍｉ；轴承套圈磨用电主轴最大功率为达 ｒ ｎ ／
主轴取代传统机械主轴是机床工业发展的大趋势 。
电主 轴 按 照 电动 机 的类 型又 可 分为 异 步 型 电主 轴 和 永 磁 同步 型 电主 轴 。
从机床行业的客观 需求来看 ，角接触球轴承 电
主轴 、液体 （ ）静压轴承电主轴和气体轴承 电主 动
轴既是市场开发的重点，也是学术研究的热点 。角 接触球轴承是最适宜高速化的滚动轴承 ，具有摩擦 阻力小、功耗小、成本低 、便于 系列化和标准化等
（ 角接触球 轴承 、滚子轴承 ）、液体滑动轴承 （ 动 压轴承 、静压轴承 、动静压轴承）、气体轴承和磁 悬浮轴承等 ，按 照与电动机的连接方式可分为机械
主轴 和 电主轴 。
限转速高 ，运转过程中无磨 损，其技术难 点在于如
何提 高 动 刚 度和 阻尼 减振 性 能 ，在 实现 高 速 的 同 时 保证 高 加 工 精 度 。磁 悬 浮 主轴 的 核 心研 究 内容 是 机
位编码 器 （３ ７ 脉冲／）。⑩具有两种现场总线 １１ ２ ０ ｒ
接 口。
２ 液体 （ ）静压 轴承 电主轴 领域 ． 动
国 内现 有 水 平 ：上 海 原 创 精 密 机床 主轴 有 限公
司研制的液体 （ ）静压电主轴 ，额定功率和最高 动
转 速达 ￣ ３ｋ 、８５０／ ｎ Ｕ４ Ｗ ０ ｒ ｍｉ，径 向跳 动 １ ｍ。东方 精 益 公 司生 产 的液 体 （ ）静 压 电主 轴 ，额定 功 率 动 ／ 高转速 达 ｆ ｌｋ 、８ ０ｒ ｎ 最 ｑ７ Ｗ ０／ ，径 向跳动 １ ｍ， Ｏ ｍｉ
３ｋ （６ ０ ２ Ｗ Ｓ ～６％） ，最高 转速 为 １０Ｏ０／ ｎ ２ ０ｒ ｍｉ；高 铁 轨 道 板 磨用 电主轴 达 １０ Ｗ （ １ ０ ％） ，最 高 转 ５ｋ Ｓ ～１０ 速２ ０ｒ ｉ；工作 寿命 普遍 在 １ ０ ～２ ０ｈ ０／ ｎ ０ ｍ ０ ０。 ５ Ｏ 国 际 先 进 技 术 水 平 ：在 加 工 中 心 和 数 控 铣 床 电主 轴 方 面 ， 国 际 上 油 脂 润 滑 型 加 工 中 心 用 电 主
径向刚度＞ ０ ｉ。湖南大学针对超高速外圆／ ５０Ｎ・ ｎ 凸
轮轴 磨 床 开 发 了 电动机 内 置式 液 体 （ ）静 压 电主 动 轴 ，额 定 功率 和 最 高 转 速 达 ３ ｋ 、 １ ０ ｒ ｎ ５Ｗ ０Ｏ ０／ ， ｍｉ
国际先进水平 ：在Ｐ Ｂ Ｃ 板高速钻削用电主轴领 域 ，已大面积推广应用１０００ ８ ０ ｒ ｎ ２ ～１０００／ 气静压 ０ ｍｉ
的液体静压主轴最高转速为１ ０ ｒ ｎ ５Ｏ ０／ ，供油压力 ｍｉ
为 ３５ ａ ．ＭＰ ，径 向／ 向 刚 度 为２ ０４ ０ Ｉ， 回转 轴 ０ ／４ Ｎ・ ｌ ｌ
精 度 达０ １ ｍ。 ．
轴承Ｄ １ ７ 值高达２ ０ ４ 万ｍｍ・ｍｉ ，选用油气润滑方 ｒ ｎ ／
式 ，输 出 功率 普 遍 比上 一 代 产 品增 加 ５ ％左 右 ，其 ０ 工 作寿 命 亦 普 遍 增长 ５ ％左 右 。 ０ 国 家 数 控 机 床 重 大 专 项 技 术 目标 ：① 额 定 功 率和最 高转速 为５ｋ 、２ ０ ｒ ｎ （ ０Ｗ ０ Ｏ ０／ ｍｉ 另两 款 为
轴承 支承的 超高 速 电主轴 ，以加 工 ０ ～ ０１ ｒｍ ． ．５ １ ａ
径 向圆跳动 １ ｍ；同时还针 对高速 内圆磨床 ，开 发 了１ ｋ 、３ ０ ｒ ｎ ２Ｗ ０Ｏ ０／ 电动机内装式液体动静压 ｍｉ
电主 轴 。北 京 航 空 航 天 大 学 下 属 的北 京 北 航精 密有
具 有轴 承动 态 预 紧 调 整 功 能 。 ③平 均 无 故 障运 行 时 间 ≥５Ｏ ０ 。 ④主 轴 回转 精 度 ＜ １ ｍ。⑤轴 系统 ０ｈ ． ０ 刚 度 ≥３ ０ Ｉ。 ⑥动 平 衡 精 度 Ｇ ．级 。⑦ 恒 功 ０ Ｎ・ Ｔ Ｉ Ｏ４
量应用于Ｐ 钻 孔行业 。该主轴采 用空气静 压轴 ＣＢ
心、数控铣床、车床 、内圆磨床和高速雕铣机 中获
得 了广 泛 应 用 ，其 主 要 技 术难 点在 于 提 高精 度 寿 命
和可靠性 。液体 （ ）静压主轴以液态 “ 动 油膜”作 为支撑 ，具有显著的 “ 误差均化效应”和 阻尼减振
性 ，回转 精 度远 高 于 滚 动轴 承 式 主 轴 ，其 刚度 高 ，
３ ０ ｒ ｎ ０Ｏ ０／ ，功 率 达 ２ ｋ ；研 制 开 发 的 无 内 圈式 ｍｉ ０Ｗ 全 陶瓷 电主轴 单 元 最高 转 速达 Ｎ３ ０ ｒ ｎ ｏＯ ０／ ，最 大 ｍｉ 功 率 达 到 １ｋ ，回转 精 度 ≤ ±１ ｍ。在 磨 用 电主 ５Ｗ
和最高转速达到７５ Ｗ 、４ ０ ｒ ｎ ． ｋ ８Ｏ ０／ ，回转精度能 ｍｉ 达Ｎｏ５ ｍ以 内。在内圆磨 （ ）静压主轴方面 ， ． 动
承 和 高 性 能 永 磁 直 流 电动 机 ，能 够 承 受 ６ Ｎ径 向 ０
率＞ ４ １ 。⑧转速波动范 围０ ４ ． ％以下 。⑨ｃ ０ 轴位 置控
制 精 度 １ 。 ⑩高 分 辨 率 编码 器接 口最 大可 支 持 １ ０ ７
载荷 （ 轴端侧 推力 ）和 １ ０ ７ Ｎ的轴 向载荷 ，刀具 夹
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
外 圆磨电主轴 ，最高工作转速为７６０ｒ ｎ ０ ／ ，功率 ｍｉ
为 ５ ｋ ， 砂 轮 径 向 刚 度 ＞ ２ “Ｉ ； 凸轮 磨 凹 ０Ｗ ３ ０ Ｎ・ Ｔ Ｉ 面 磨 削 主 轴 ，转 速 ２ ０ ／５Ｏ ０／ ｎ 砂 轮 径 向 ５０ ０３ ０ ｒ ｍｉ ， 刚 度 为 １ ０６ Ｎ・ ｍ ；铣 削 静 压 电主 轴 ，最 高 工 ２ ／０ 作转 速 为 ４ ０ ｒ ｎ ２Ｏ ０／ ，功率 为 １ｋ ，轴 承 刚 度 为 ｍｉ ５Ｗ ２ ０１０Ｎ ｍ。英 国Ｃ ａ ｆ ｌ ｒｃｓ ｎ 司开 发 ０ ／６ ・ ｒｎｉ ｄＰ ｅ ｉ ｏ 公 ｅ ｉ
我国高性能机床主轴技术 现状分析
湖 南大学国家 高效磨 削工程 中心教 授 熊万 里
优 点 ，其 极 限转 速 高 、精 度 高 、刚 度 高 ，在 加 工 中
高性能机床主轴概述
机 床 主 轴是 机 床 的 核 心部 件 ，其 功 能是 带 动 刀 具 （ 轮 ）或 工件 旋 转 ，实 现 高 速精 密加 工 。随 着 砂
３ ｋ 、３ ０ ／ ｎ ］Ｏ Ｗ 、４ ０ ｒ ｎ 。 ② ０Ｗ ００ ０ｒ ｍｉ ￣ ｌ ｋ ０ Ｏ ０／ ） ｍｉ
３气 体轴承 电主轴领域 ．
国内 现 有水 平 ：在 Ｐ Ｂ 高 速 钻 削 用 电主 轴 领 Ｃ 板 域 ，洛 阳轴 承研 究 所 生 产 的 气静 压 电主轴 转 速 达 到 ９ ０ ｒ ｎ ０Ｏ０／ ，用于 钻 削 ０ ～ ０７ ｍｉ ． ． ３ ｍｍ的ｄ ，效 ｑＬ 率 为 １０ ／ ｎ ９ 次 ｍｉ ，工 作 寿命 为９０ 。广 州 市吴 志机 电 ０ｈ 有 限公 司联 合 哈 尔 滨 工业 大学 开 发 成 功 的 ＤＱ Ｚ一 Ｆ ２ ０ 空 气轴 承 电 主轴 ，转 速 达 ２０Ｏ０／ ｎ 已批 ０型 ０ ０ ｒ ｍｉ，
现代工业对机床加工精度和加工效率要求的不断提
高 ，机 床 对 主轴 性 能 的要 求 也 越 来越 高 ，传统 的 高 速主 轴 概 念 已难 以 充分 描 述 机 床 主轴 的 技 术 内涵 。
磨损小 ，寿命长 ，在精密超精密机床上获得 了广泛
应 用 ，其 主 要技 术 难 点 在于 控 制 高 速 时主 轴 的 温 升 和 热变 形 。气体 轴 承 电主轴 以 “ 膜 ”作 为 支 撑 ， 气
Ｏ ６ ，
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用 油 气 润 滑 和 强 制 水 冷 方 式 。 沈 阳 建 筑 大 学 开 发 限 公 司开 发 了系 列 （ ）静 压 主 轴产 品 ，额 定 功率 动
高 速大功 率 陶瓷 球轴 承 电主轴单元 最高转 速达 到