数控机床电主轴及发展趋势

论文

数控机床电主轴及发展趋势

院系名称：工学院

专业名称：机械设计制造及其自动化

姓名：

学号：

0003年00 月8 日

数控机床电主轴及发展趋势

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。

关键词：数控机床；电主轴；发展

Abstract:This paper introduces the basic structure and working principle of

high-speed electric spindle,And the key technology of high speed motorized spindle,A review of its application and development at home and abroad.

Key words:Numerical control machine ;Electric spindle ; Develop

一、概述

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。自20世纪80年代以来，数控机床、加工中心主轴向高速化发展。高速数控机床的机械结构已得到极大的简化，取消了带传动和齿轮传动，机床主轴由内装式主轴电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床主传动的零传动,这种结构称为电主轴。数控机床的工作性能，首先取决于主轴的性能。数控机床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加工起着关键的作用。电主轴是机床的核心部件,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”。它具有结构紧凑、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。

二、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电主轴的典型结构及优点

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，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，调速范围宽。

三、电主轴对装备制造业促进和发展

3.1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。

3.2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。

四、高速电主轴在国内外的发展状况

4.1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。

4.2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