电主轴的相关技术知识

目前，随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制技术等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动系统的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。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，因此可做成“主轴单元”，俗称“电主轴”(ElectricSpindle,Motor Spindle)。由于当前电主轴主要采用的是交流高频电动机，故也称为“高频主轴”（High FrequencySpindle)。由于没有中间传动环节，有时又称它为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle)。

电主轴的设计

电主轴由内装式电主轴单元、驱动控制器、编码器、通讯电缆、直流母线制动器组合成的，用以将电网电能变为电主轴单元的机械能，同时实现电主轴准停。准速、准位的系统称之为电主轴系统。

常见的数控机床用电主轴系统的配置可由下列简式来表述：

大型数控铣(含并联机构数控铣)、小型数控车(无轴定位)电主轴单元+开环式驱动控制器+直流母线能耗制动器。

电主轴系统品质的优劣是大型数控铣、加工中心、数控车品质优劣的关键之一。对闭环式配置的电主轴系统而言尤为重要。目前我国已能自行开发设计各类高速电主轴。但闭环式驱动控制器及高水平的编码器尚不过关。选用优质的进口编码器和驱动控制器来匹配我国自行开发的电主轴单元，从而组成电主轴系统，以供应国内数控机床之急需，从而降低主机成本，提高主机的市场竞争力是一条可行之路。

电主轴所融合的技术

高速轴承技术

电主轴通常采用动静压轴承、复合陶瓷轴承或电磁悬浮轴承。

动静压轴承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量、延长刀具寿命、降低加工成本，这种轴承寿命为半无限长。

复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。

电磁悬浮轴承高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，但是由于电磁测控系统复杂，这种轴承价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今没有得到广泛应用。

高速电机技术

电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；

润滑

电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

冷却装置

为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

内置脉冲编码器

为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。

自动换刀装置

为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

高速刀具的装卡方式

广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。

高频变频装置

要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。

电主轴的支持技术和装置

变频电主轴通常在高速运动或强力切削的条件下工作，特别是在启动和制动过程中会产生较大的热量，设计合理的冷却系统是保证电主轴能够输出最大功率、延长电主轴工作寿命以及正常工作的前提条件。通常，电主轴需要采用强制冷却，在其内部结构中安排冷却管路。

德国CyTec公司的CySpeed系列高速电机对冷却问题作了较为全面的考虑。该系列电主轴的功率范围为10~60kW，最高转速为8000~40000r/min。它可具有四种不同功能的冷却回路：

1.主轴冷却
2.电动机冷却
3.刀具冷却
4.刀具内孔冷却

主轴冷却回路是为了避免主轴前端伸长以及保护主轴轴承。它的目的是保持主轴温度恒定，使其与转速无关，因而可以保证主轴的精度不受电动机发热的影响。电动机冷却回路是为了加强电动机对外部的散热能力，使主轴部件的壳体保持为室温状态。

刀具冷却是选用件，可以任意选用外部冷却或者内孔冷却，或者内外同时冷却。采用通过刀具内孔冷却时，冷却液在80kPa的压力下通过旋转分配器中间的孔道，打开单向阀，从刀柄（包括刀具）的中间孔喷出。

刀具夹紧机构

刀具夹紧机构时电主轴的重要组成部分，没有夹持可靠和精度高的刀具夹紧机构，是无法进行高速切削加工的。刀具夹紧机构按照夹紧力源可以分为液压、气动和手动三种。当机床具有自动换刀机构时，必须采用液压或气动的自动夹紧机构。但是，在许多情况下，采用手动夹紧机构也是很实用的。

主轴系统的能源供应

主轴系统的能源供应包括电、气、液压油和冷却液。它是根据主轴的尺寸、功率和用途进行选择或定制的。能源供应部件主要具有以下功能：

1.空气供应过滤调节器
2.高压润滑系统或油雾润滑系统
3.高效冷却系统
4.变频系统
5.电气控制系统和可编程控制器
6.高压喷射冷却系统（选件）

电主轴的启动

1、确认主轴套筒所须的循环冷却水已开通，冷却水的温度一般不要超过35°ｃ，但也不宜过低，不宜直接接用自来水，因水温过低会造成电主轴内部热空气遇冷而形成凝水影响绝缘和轴承生锈，冷却水流量一般可在3-6L/MIN，冷却水应干净无杂屑以防堵塞通道。冷却水箱中水量约60L—100L，建议水泵用AB-25或AB-50。进出水口不能相距太近，必须使水在箱内有一冷却过程，力求使进出口水温差能达到2—3°ｃ，要避免造成热水循环而达不到冷却效果。

2、确认电主轴电源电压，频率与主轴匹配关系正确，按主轴名牌数据或产品检测报告中提供的电压与频率对应关系设置变频器的U/F 曲线，主轴插头座的4号芯接地，3.2.1号芯接变频器的U V W。启动时应先点动，查看主轴方向。（从轴伸端看主轴应逆时针旋转）若反转应即关车，切断电源，将三根进线中的任意两根对调即可。

对新启用的电主轴宜先进行低速运行，建议先半速运行0.5-2.0小时，然后再进入高速。一般用调频调压方式启动主轴电机，应尽力避免突加满压启动。启动时间约10秒左右完成。

电主轴的优点

电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小、振动小、噪声低、响应快等优点，而且转速高、功率大，简化机床设计，易于实现主轴定位，是高速主轴单元中的一种理想结构。

电主轴轴承采用高速轴承技术，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍。

产品特性：高转速、高精度、低噪音、内圈带锁口的结构更适合喷雾润滑。

主要用途：数控机床 、机电设备、微型电机、压力转子、步进电机等

电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。

高速电主轴故障分析与排除对照表

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。

电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

继续向高速度、高刚度方向发展

由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士IBAG的HF42的转速达到140000r／min，英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000r／min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER最高转速达到42000r／min，意大利CAMFIOR达到了75000r／min。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。

向高速大功率、低速大转矩方向发展

根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec、德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到200Nm以上的已经不是难事，德国CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的最大扭矩更是达到了630N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50kW；CYTEC电主轴的最大输出功率为50kW；瑞士Step—Tec电主轴的最大功率更是达到65kW(S1)，用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80kW 的报道。

进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展

用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001mm 以内、轴向定位精度<0.0005mm以下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。Step—Tec的电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。

电主轴内装电机性能和形式多样化

为满足实际应用的需要，电主轴电机的性能得到了改善，如瑞士FISCHER主轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比(即恒功率调速范围)达到了l：14。此外，出现了永磁同步电机电主轴，与相同功率的异步电机电主轴相比，同步电机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。

向快速启、停方向发展

为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加(减)速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到lg以上，全速启、停时间在ls以内。

轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化

除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法(又称Oil-air)，由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷(又称定位预负荷)、弹性预负荷(又称定压预负荷)之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴(瑞士IBAG等)、液浮轴承电主轴(美国Ingersoll等)等已经有系列商品供应市场。

刀具接口逐步趋于HSK、Capto刀柄技术

机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的CAT(7：24)刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用HSK(1：10)等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、高精度情况下使用。因此，HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用(如瑞士的IBAG、德国的CYTEC、意大利CAMFIOR等)。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与HSK接口相似，但传递扭矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。

向多功能、智能化方向发展

在多功能方面，有角向停机精确定位(准停)、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如Step-Tec电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。

电主轴的国产化低是数控机床的发展之痛

电主轴是最近几年在机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，在中高档数控机床中应用广泛。它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。但是令人遗憾的是，作为数控机床功能部件的重要组成部分之一，电主轴的国产化率很低，当前数控机床所用的电主轴60%需要进口。对此，有关专家指出，电主轴的国产化在技术上并非很难，因此有必要加大它的发展。如果不提高电主轴的国产化率，一味依赖进口，不仅将会浪费更多的外汇，而且会制约我国数控机床的自我满足率。

“中场”产业

电主轴具体是指一套组件，包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。电主轴技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。国际上高性能、高速、高精度数控机床普遍采用电主轴单元。在多工件复合加工机床、多轴联动多面体加工机床、并联机床和柔性加工单元中，电主轴更有机械主轴不可替代的优越性。

电主轴的价位从几万元到几十万元不等，在机床成本构成中占有一定比例。电主轴的质量、性能和水平在很大程度上决定了整机的质量、性能和水平，为此，日本学者将包括电主轴在内的功能部件产业统称为“中场”产业，取其足球“中场”术语的寓意，一是表明它在从原材料到整机的产业链中，处于“中场”位置，另一含义是取胜的关键在于它能否能够控制“中场”。

电主轴在数控机床中的作用越来越重要，主要是因为现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，因此高转速越来越成为衡量一个产品水平的标志。谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。因此电主轴发展的趋势就是：以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴，从而提高数控机床的转速，加强数控机床产品的竞争力。

国内电主轴大量依赖进口

我国机床行业对于电主轴的需求量较大，而且有逐年递增趋势。这主要由2点决定。第一，国内机床对电主轴的需求量一年在6000多根左右。 据初步统计，2003年我国各类电主轴年需求量约6000根，其中数控机床用电主轴仅有约1000根，而且60%左右为进口电主轴。而据主轴功能部件专业委员会秘书长钟洪介绍，目前我国国内电主轴的生产能力大约在2400套左右，而国内的需求量在8000套，因此供需缺口达近6000套。以每套平均价8万元计，进口额就达4亿多元。第二，根据机床行业“十·五”发展规划，到2005年我国数控机床产量将达到6万台，数控机床使用电主轴的比例也将由2%增加到10%左右。预计到2005年，数控机床用电主轴将激增到6000根，约占电主轴总需求量的50%，替代磨用电主轴的市场地位，成为电主轴市场的主力军。

面对如此之大的电主轴需求市场，国产的电主轴生产却没有跟上去，这并不是因为我国电主轴的研发动作迟缓。其实早在20世纪50年代，我国的轴承行业就已经开始研究生产电主轴。目前国内电主轴的生产以洛阳轴承研究所最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有40多年的历史。近年来，它开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联机床配套，投入使用。迄今已发展到15个系列，100多个品种，功率从0.2~75kW，最高转速达150000r/min。

国内电主轴大量依赖进口的原因，除了产量没有跟上去之外，国产电主轴的质量没有保证，也是其中一个原因。目前我国开发出了主轴功率为2.5kW～29kW、扭矩为4～86N.m、能应用于数控机床和加工中心的电主轴，并且已装备了部分国产数控机床。但是从总体上讲，国产的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，所以目前国产的高转速、高精度数控机床和加工中心所用的电主轴，仍然主要从国外进口。

电主轴生产存在技术瓶颈吗

电主轴国产化率低，是由于技术原因吗？在回答这个问题之前，不妨先听听有关专家对于生产电主轴需要何种技术是如何分析的。中国机床工具协会名誉理事长梁训瑄将电主轴的生产所需要的技术简明扼要地概括为“3个半技术”：即精密制造技术，轴承技术，电机调速技术，电机技术。电主轴对于前3个技术的要求较高，而对于第4个技术来说，由于电主轴对于电机技术的要求并不是很高，只需要普通的电机技术即可，因此，梁训瑄形象地将其称之为半个技术。

那么，生产电主轴的技术难度大吗？对此，有关专家的回答是否定的。电主轴专家周延佑指出，由于电主轴的生产是几种技术的综合，因此只具备单种技术的企业并不能生产这一产品，比如一般的轴承厂或是电机厂就不具备生产电主轴的能力。但这并不等于说，电主轴的生产所要求的技术就很高，国内的厂家就不能实现规模生产。周延佑的看法是：“电主轴国产化率低，产品大量从国外进口，出现这种状况，从技术层面来看是一点道理也没有。” 周延佑分析说，电主轴的确需要的是综合技术，但是只要一家企业拥有了其中一种技术，就可以生产电主轴这种产品。因为与其他技术相对应的产品，完全可以外购。比如轴承厂就可以外购电机，而电机厂也可以外购轴承，这是一些世界电主轴生产厂家通用的做法。就是世界顶级的电主轴生产商也不具备全套技术，他们也同样外购产品或是技术。电主轴的生产从技术层面来说，其实需要的是精确装配、加工的能力。就是全部零部件都外购，最后的产品所获得的利润也不低。特别是在国内劳动力具有低价优势的情况下，即使是零部件进口，装配完成后生产出来的电主轴也应该比进口的同类电主轴价格至少低三分之一。

如何提高电主轴的国产化

由于电主轴的生产是一个跨行业的过程，需要多工种、多技术的配合，因此建立一个什么类型的企业才能满足这些需要，是专家们探讨的问题。

目前我国功能部件的生产厂家有4种类型：“院所型”，由研究所、大专院校以技术支撑发展而来的企业；“主厂型”，由主机厂逐步分离出来以生产某种功能部件为主发展起来的企业；“民企型”，在江浙一带大量涌现的民营企业，以劳动密集型、单一品种为主；“外商合资或是独资型”，生产部分较高水平的功能部件，但批量较小，没有独立的开发能力。

对于前3种企业，专家的看法是各有所长。在“院所型”生产厂家中，由于他们的技术力量比较雄厚，从事该行业时间比较长，一旦转型，技术问题能够自行解决，所需改变的只是体制。只要体制适合市场需求，这类企业生产的产品会很有竞争力。比如洛阳轴承研究所，专家们曾多次建议从研究所分离出公司，利用他们所掌握的电主轴技术专门生产此类产品。至于“主厂型”企业，钟洪分析说，在国外电主轴的生产一般分为2种方式，1种是由配套厂家生产，另1种是由专业的电主轴生产厂家制造。国外的主机厂一般不生产电主轴，因此从这一点来说，在国内从主机厂分离出来专门生产电主轴的企业，是一种趋势。而“民企型”企业，专家们的看法是，由于他们的市场眼光敏锐，机制灵活，特别是江浙一带机床用户逐渐增多，为他们生产机床功能部件提供了机会，而且和客户交流起来也有地域方面的优势，这些使他们在电主轴的生产中具备优势。

电主轴的国产化问题，不仅是专家们关心的问题，同时也受到了行业协会的高度重视。虽然根据国内各主轴开发单位估计，按目前生产能力发展速度，到2005年我国最多只能开发出2000台套电主轴单元。但机床工具工业协会根据国内数控机床之需求，对各功能部件生产主导单位提出强化发展要求：电主轴要求到2005年用于数控机床的电主轴单元总产量达到3000台套，到2010年达到10000台套。他们表示将合理组织人力、物力、财力，开发出既多又好的功能部件。

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