一、簡介

數控機床集高效率、高精度、高靈活性于一體，同時為了獲得高生產率和提高加工精度，高速加工技術越來越受到業(yè)界的重視。超高速數控機床是實現超高速加工的物質基礎，而高速主軸是超高速數控機床的“核心”部件，既要求較高的轉速、精度，又要求連續(xù)輸出的高轉矩能力和大范圍恒功率運行，于是，具有高轉速、高精度、高速精密、高效率等相應特點的數控機床電主軸應運而生。

電主軸很早用于磨床上，后來發(fā)展到增加T型中心。由于強大的精密機械工業(yè)的不斷需求，電主軸的功率和質量不斷提高。目前電主軸較大的轉速可以達到20000 r/min，直徑范圍33-300mm，功率范圍125w-80kw，扭矩范圍0.02-300nm。電主軸具有結構緊湊，重量輕。慣性小，動態(tài)特性好等特點，并能提高機床的動平衡。避免了振動、污染和噪音，因此在超高速切削機床中得到了廣泛的應用。

二、電主軸的工作原理和典型結構

1、電主軸的工作原理

所謂電主軸，是指電機的轉子直接作為機床主軸使用，主軸單元的外殼為電機座，并采取其他安全保障措施，實現電機與機床主軸的一體化。電主軸直接將空心的電動機轉子安裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內，形成完整的主軸單元，通電后轉子直接帶動主軸運轉。

2、電主軸的基本組成

電主軸結構的基本結構通常由電主軸單元、軸承及其潤滑單元，主軸冷卻單元和動平衡單元組成。電主軸單元的典型結構布局方式是電機位于主軸的前軸承、后軸承之間，其優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度高，功率大，更適用于大型、中型高速數控機床；其缺點是在封閉的主軸箱體內電機的自然散熱條件差，溫升相對較高。

3、電主軸的典型結構

電機機的轉子與機床的主軸之間的扭矩傳遞是通過盈套筒的過盈配合來實現的，過盈量是根據傳遞的扭矩的大小來計算的。在主軸上取消了各種形式的鍵連接和螺紋連接，便于主軸的運轉部分實現精確的動平衡。由于轉子內孔與主軸配合面之間的過盈量較大，轉子在熱壓快速裝配時需要在油浴中加熱到200℃左右，電動機的定子通過冷卻套安裝在電主軸的外殼中。

三、電主軸的關鍵技術

電主軸是高速軸承技術、潤滑技術、冷卻技術、動平衡技術、精密制造與裝配技術以及高速電機驅動等技術的綜合應用。

1、電主軸的高速軸承技術

實現電主軸高速化精度化的關鍵是高速精密軸承技術的應用。目前電主軸使用的軸承有精密滾動軸承、液體靜壓軸承、空氣靜壓軸承和磁力軸承等，但主要是精密角接觸陶瓷球軸承和精密圓柱滾子軸承。角接觸球軸承不只能同時承受徑向和軸向載荷，而且剛度高、高速性能好、結構簡單緊湊、品種規(guī)格多、維修更換方便，在電主軸上應用廣泛。隨著陶瓷軸承技術的發(fā)展，應用廣泛的電主軸軸承是混合陶瓷球軸承，即滾動體采用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”結構，軸承套圈為GCrl5鋼圈。這種混合軸承可以通過減小離心力和陀螺力矩來減少滾珠與通道之間的摩擦，從而獲得更低的溫升和更好的高速性能。

2、電主軸的潤滑技術

1）高速電主軸需要采用合理的、可控的軸承潤滑方式來控制軸承的溫升，以保障了數控機床工藝系統的精度和穩(wěn)定性。電主軸的潤滑方式主要有油脂潤滑、油霧潤滑和油氣潤滑等。

2）實踐表明，供油量過多或過少在潤滑中都是有害的，而前兩種潤滑方式均不能準確控制供油量多少，不利于主軸軸承轉速和使用壽命的提高。然而，新開發(fā)的油氣潤滑方法可以準確控制每個摩擦點的潤滑油量，可靠性很高。

3）油氣潤滑技術是利用壓縮空氣向每套主軸軸承連續(xù)、準確地供給微量潤滑油，微小的油滴在滾動軸承與內、外圈滾道之間形成彈性動壓油膜，而壓縮空氣可以帶走軸承運轉產生的部分熱量。

4）實踐證明，油氣潤滑是高速大功率電主軸軸承較理想的潤滑方式，但其所需設備復雜，成本高。油氣潤滑方式以其理想的潤滑效果成為世界上很受歡迎的潤滑方式。

3、電主軸的冷卻技術

1）電主軸有兩個主要的內部熱源：內置電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此產生的熱變形會嚴重減少機床的加工精度和軸承的使用壽命，從而導致電主軸的使用壽命縮短。

2）電主軸采用內藏式主軸結構形式，位于主軸單元內的電機無法使用風扇散熱，自然散熱條件較差。在能量轉換過程中，電機內部發(fā)生功率損耗，使電機發(fā)熱。研究表明，在電機高速運行的情況下，電機發(fā)熱量有近三分之一是由電機轉子產生的，轉子產生的熱量大部分通過轉子與定子之間的氣隙傳遞給定子中；剩余的2/3的熱量是在電機的定子中產生的，所以對電機產生發(fā)熱的主要解決方案是利用冷卻液的循環(huán)流動對電機定子進行強制冷卻。典型的冷卻系統是使用外部循環(huán)水式冷卻裝置來冷卻電機定子并帶走電機的熱量。

3）角接觸球軸承發(fā)熱主要由滾子與滾道間的滾動摩擦、高速時陀螺力矩引起的滑動摩擦和潤滑油的粘性摩擦等引起。減小軸承發(fā)熱量的主要措施有：①適當減小滾珠直徑，從而減小摩擦和發(fā)熱量。②采用合理的潤滑方式，油氣潤滑方式不只對軸承有潤滑作用，還有一定的冷卻作用。

4、電主軸的動平衡技術

當主軸高速旋轉時，任何小的不平衡質量都會引起電主軸的大的高頻振動，因此精密電主軸的動平衡精度需要達到G1-G0.4級。對于這種水平的動平衡，采用常規(guī)的方法，即在裝配前將主軸上的各個零件分別進行動平衡是遠遠不夠的，裝配后還要對整個主軸進行動平衡，甚至設計專門的自動平衡系統來實現主軸的在線動平衡。此外，在設計電主軸時，需要嚴格遵守結構對稱的原則，電主軸上禁止使用鍵連接和螺紋連接，但一般采用過盈連接實現扭矩的傳遞。

5、電主軸的運動控制技術

在數控機床中，電主軸通常采用變頻調速的方法。目前主要有三種控制方式：普通變頻驅動和控制、矢量控制驅動器的驅動和控制，以及直接轉矩控制。

1）普通變頻是標量驅動和控制，其驅動控制特點是恒轉矩驅動，輸出功率與轉速成正比。普通變頻控制動態(tài)性能不理想，低速時控制性能不好，輸出功率不夠穩(wěn)定，不具備C軸功能，但價格便宜，結構簡單，一般用于磨床和普通的高速銑床等。

2）矢量控制技術模

模仿DC電動機的控制方式，對轉子磁場進行定向，采用矢量變換的方法實現驅動和控制，具有良好的動態(tài)性能。矢量控制驅動器在啟動初期扭矩值大，電主軸本身結構簡單，慣性小，因此啟動加速度大，啟動后瞬間即可達到允許極限速度。

3）直接轉矩控制是繼矢量控制技術之后發(fā)展起來的一種新型高性能交流調速技術，其控制思想新穎，系統結構簡單明了，更適合驅動高速電主軸，能更好地滿足高速電主軸高轉速、寬轉速范圍、高速瞬l’日J準停的動態(tài)特性和靜態(tài)特性的要求，它已成為交流傳動領域的一項熱門技術。

四、結束語

目前，電主軸應用廣泛，國外高速電主軸技術研究較早，電主軸單元發(fā)展迅速，技術水平處于領先地位，隨著變頻技術和數字技術的發(fā)展日趨完善，一系列標準產品逐漸形成。高轉速電動主軸廣泛應用于機床工業(yè)和工業(yè)制造業(yè)。未來應重點研發(fā)大功率、大扭矩、寬調速范圍、快速啟動、準確定位、自動對刀等數字化高標準電主軸單元。