高速电主轴

应用及发展趋势
主要应用于高速精密加工系统的集成：开放式数控系统概况 ，基于ＰＭＡＣ的数控加工系统集成。
•向高精度、高刚度方向发展 •向高速大功率、低速大转矩方向发展 •向精确定向（准停）方向发展 •向快速起、停方向发展 •向超高速方向发展 •电机形式与控制方式多样化方向发展
谢谢！！
电主轴基本知识
目录
电主轴概述
国内外技术现状
电主轴的关键技术
电主轴性能分析
应用及发展趋势
电主轴概述
定义
机床主轴由内装式电动机直 接驱动，从而把机床主传动链 的长度缩短为零，实现了机床 的“零传动”，这种主轴电动 机与机床主轴“合二为一”的 传动结构形式，使主轴部件从 机床的传动系统和整体结构中 相对独立出来的电主轴单元， 俗称为“电主轴”。
国内
我国数控机床用电主轴技术发展很快，但是高转速、高精度数控机床和 加工中心所用的电主轴，主要还是从国外进口。
我国数控机床用电主轴单元技术与国际水平的低速 大转矩方面：
1. 电主轴的低速大转矩方面 2. 高速方面 3. 电主轴的轴承润滑方面 4. 电主轴的支承方面 5. 其他与电主轴相关的配套技术方面。如主轴电动机矢
电主轴的精密装配
主轴与电动机转子、主轴与前后轴承、主轴与轴 承隔圈和定位过盈套、主轴与刀具、轴系与轴承 座、轴承座与壳体之间。
电主轴的防尘与密封
防止在电主轴高速运转条件下，微尘进入主轴轴 承，引起主轴振动，甚至使主轴轴承咬死。
电主轴的性能分析
• • • 精度和刚度特性 温升特性分析 动态振动特性 轴承的温升特性是制约其提高转速的主要原因； 振动直接影响工件的表面加工质量；
油－雾润滑
具有润滑和冷却 双重作用
油－气润滑
精确润滑、润 滑油利用率高、 轴承发热量小、 无环境污染
油－气润滑设计
供油部分
供气部分
油气混 合部分
油气分 配部分
原理图
油 气润 滑装 置简 图
１.供气阀，２.压力气开关，３.压力开关，４.油泵电动机， ５．控制器，６.油气输出，７.分配阀，８.油过滤器，９.泵， １０.空气过滤器
量控制和交流伺服控制技术、精确定向（准停）技术、快速 启动和停止技术等，国内仍然不够成熟。
国外
德国公司生产的SPECHT500和SPECHT600高速加工中心，其主 轴均为装有混合陶瓷球轴承的电主轴，采用液态冷却，主轴转速为 16 000r/min（22kW）； 瑞士公司生产的HSM700高速加工中心，装有HF系列陶瓷轴承电主 轴，其径向圆跳动在0.5~2.0μm之间，转速达42 000r/min（12kW）； 美国公司生产的HVM型高速机床，主轴转速达16 000r/min（15kW）； 近年来，日本NSK公司的M系列，意大利G&F公司的EFA、EMC系列， 瑞士STEP—TEC公司的HVC系列电主轴都具有功率大、刚度高及调速 范围广的特性，完全适用于高速、高效切削。
国内外技术现状
60年代 主要用于零件内表面磨削, 这种电主轴的功率低, 刚度小, 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 80年代 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 各个机械制造领域 90年代 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, 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铣削中的应用 生产的PCB行业用钻、铣削电主轴，转速达到100 000r/min， 为国内PCB行业数控机床所普遍采用； 生产的磨床用电主轴，最高转速达到150 000r/min；
目前，瑞士ＩＢＡＧ公司推出了静压轴承、磁浮轴承的电主轴； 美国ＩＮＧＥＲＳＯＬＬ公司，推出了动静压轴承的电主轴，可作为独 立部件销售； 永磁同步电动机的电主轴已问世，其转子为永久磁铁，不发热，解决了 电主轴结构的最大负面效应—内装式电动机散热不良的问题。
电主轴关键技术
高速精密轴承技术
滚动轴承
主要支承类型
（４）润滑介质的研究。
磁悬浮轴承
（1）机械磨损小、能耗低、噪声小、寿命长、无需润滑、无油污染等； （2）可控轴承，转子位置能够自律，主轴刚度和阻尼可调； （3）价格昂贵，控制系统复杂，发热问题不易解决；
磁悬浮轴承原理图
热态性能和动态性能的设定
电主轴的润滑
脂润滑 润 滑 的 主 要 类 型 一次性永久润滑
电主轴的冷却
电主轴两个主要的内部热源：内装式电动机的损耗 发热、轴承摩擦发热 冷却系统：针对定转子和轴承的发 热
温升的影响 （1）主轴、工件热变形； （2）导致永磁体的永久退 磁, 直接影响电机性能；
油冷却 常 用 冷 却 方 法 循环水冷却
定 温 控 制
差 温 控 制
外 水 套
内 水 套
电主轴油水热交换循环冷却系统
M 975P*9.8 n ⑤ Dmn值（反应电动机功率和转速） ⑥ 刚度和精度
⑦ 恒转矩调速 主轴在一定转速范围内改变转速时，输出转矩不变的调速 方式。 一般的磨削用电主轴及小型铣削用电主轴都为恒转矩电主 轴。 ⑧ 恒功率调速 在一定转速范围内改变转速时，输出功率可保持不变的调 速方式。 一般在起步及低速段采用恒转矩调速，而高速段采用恒功 率调速，保证低速时有较大的输出转矩，满足低速大进给的 切削要求。
电主轴
完整的电主轴系统
结构原理图
1.前轴承 2.定子 3.冷却水套 4.壳体 5.出水管 6.进气管 7.主轴 8.转子 9.进水管 10.后轴承
基本参数
① 电主轴的型号（套筒直径、最高转速、输出功率等） ② 转速n(p为驱动电动机的极对数2、4、6、8等)
n 60 f p
③ 输出功率P ④ 输出转矩M(最大转矩、额定转矩)
电主轴的优点
(1) 电主轴由内装式电动机直接驱动，省去了皮带、齿轮联 轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、 噪声低、振动小和精度高等特点。 （2）利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实 现无级变速。 （3）电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定性更好。 （4）由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳， 其精度寿命更长。 （5）实现电机和主轴的一体化、单元化，促进了机床模块 化和其他技术的发展。
电主轴的动平衡技术
• 动平衡的稳定性决定了机床的加工质量和切削能力。 • 振动过大会出现剧烈的磨耗和破损, 增加主轴承载的动态 负荷, 降低寿命和精度。 • 动平衡问题, 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。
电主轴单元的精密加工及热处理
保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度。
动Байду номын сангаас压轴承
动静压轴承的优点：
（１）综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴 承； （２）避免了静压轴承高速下发热严重和供油系统庞大复杂 的缺点； （３）克服了动压轴承启动和停止时可能发生的干摩擦的弱 点； （４）高速性能好、调速范围广；
动静压轴承待解决的问题：高速化
（１）动静压轴承层流、紊流流体惯性的计算算法的研究。 （２）动静压轴承油腔结构的研究。 （３）轴承温升及热变形控制技术的研究。
动静压轴承
磁悬浮轴承
滚动轴承
（１）传统钢制球轴承 高速运转时将产生巨 大的离心力和陀螺力矩， 使得滚动体与轴承外圈的 接触应力急剧增大，使得 摩擦与温升增加，导致轴 承的运转条件变差，因而 钢制球轴承应用于电主轴 受到了一定限制。
（２）氮化硅陶瓷球轴承
具有转速高、温升低、
等优良特性，可弥补钢制 球轴承的不足，显著提高 电主轴的转速、刚度和寿 命。