高速電主軸，即內(nèi)置式電機(jī)的主軸單元，是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。主軸電機(jī)安裝在機(jī)床主軸單元內(nèi)部，驅(qū)動(dòng)主軸，從而促使電機(jī)和主軸成為一個(gè)整體。為了提高數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行效率，需要掌握高速電主軸的技術(shù)要點(diǎn)，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，同時(shí)促進(jìn)電主軸技術(shù)的不斷提高。

1、高速電主軸具備的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)床的主軸運(yùn)行，在發(fā)揮電機(jī)驅(qū)動(dòng)作用的過(guò)程中，主要驅(qū)動(dòng)中間的變速裝置和傳動(dòng)裝置，如齒輪、皮帶和聯(lián)軸節(jié)等，這就是“機(jī)械主軸”，也形象地稱為分離式主軸和直聯(lián)式主軸。與這種傳統(tǒng)主軸相比，電主軸具有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）主軸運(yùn)行是由內(nèi)部安裝的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，不需要經(jīng)過(guò)中間變速裝置和傳動(dòng)裝置，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，能高精度地提高運(yùn)行效率。在運(yùn)行過(guò)程中，不會(huì)有很大的噪音和很小的振動(dòng)。

（2）電主軸采用交流變頻技術(shù)，可在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速。機(jī)床運(yùn)行時(shí)，無(wú)論什么工況或負(fù)載變化，電主軸都具有良好的適應(yīng)性。

（3）內(nèi)裝電機(jī)運(yùn)行時(shí)，可控制閉環(huán)矢量，根據(jù)控制指令有效調(diào)控功率，靈活控制驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行速度、輸出力矩等。電主軸可以滿足各種大功率要求，如低速重切削和高轉(zhuǎn)矩，或高速精加工，電主軸可以很好的發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停，同時(shí)滿足C軸傳動(dòng)功能。

（4）電主軸能高速運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定性良好，動(dòng)態(tài)精度較高，使數(shù)控機(jī)床切削的速度更快，加工精度更高。

（5）由于電主軸的運(yùn)行不需要經(jīng)過(guò)中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)，穩(wěn)定性更高，不會(huì)受到外界的沖擊，主軸的軸承不需要承受很大的動(dòng)載荷，延長(zhǎng)了精度壽命

（6）電主軸使電機(jī)和主軸形成一個(gè)整體，形成一個(gè)單元，使電主軸可以系列化生產(chǎn)，形成一定的規(guī)模，生產(chǎn)更加專業(yè)化。電主軸作為數(shù)控機(jī)床的功能部件，也作為商品進(jìn)入市場(chǎng)。企業(yè)可以根據(jù)數(shù)控機(jī)床的主機(jī)操作需求選擇電主軸，這將促進(jìn)機(jī)床的模塊化發(fā)展。

2、高速電主軸技術(shù)要點(diǎn)

2.1 高速電主軸的高速精密軸承技術(shù)

在電主軸系統(tǒng)中，主軸軸承技術(shù)是關(guān)鍵，主要包括動(dòng)靜壓軸承、角接觸球軸承和磁懸浮軸承三種類型。其中，動(dòng)靜壓軸承是靜壓軸承和動(dòng)壓軸承的結(jié)合體，結(jié)合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，具有良好的高速性能和較寬的調(diào)速范圍。角接觸球軸承常用于精密數(shù)控機(jī)床，起主軸支撐作用，對(duì)高速性能有一定影響。造成這種現(xiàn)象的主要原因是滾珠采用氮化硅材料制作，在高速作用下會(huì)增加離心力和陀螺力矩，使軸承的高速性能得以發(fā)揮，滾動(dòng)體直徑得以減小。由于軸承的制造成本高，控制系統(tǒng)很復(fù)雜，不容易解決軸承運(yùn)行中的發(fā)熱問(wèn)題，所以只會(huì)在特殊場(chǎng)合使用。

2.2  高速電主軸的動(dòng)平衡技術(shù)

高速電主軸具有高運(yùn)轉(zhuǎn)速度、高精度運(yùn)行、高加工效率的特點(diǎn)，但這些特點(diǎn)都是建立在動(dòng)平衡的基礎(chǔ)上的。電主軸的運(yùn)行狀態(tài)會(huì)受到很多因素的影響，如制造因素、主軸安裝過(guò)程中的誤差、或者存在材料不均勻等，不可避免地會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行不平衡的問(wèn)題。通常在電主軸運(yùn)行過(guò)程中，最高運(yùn)行速度可超過(guò)10000r/min，甚至達(dá)到60000~100000 r/min。主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，即使不平衡量很小，也可能影響主軸回轉(zhuǎn)的精度，甚至影響軸承支撐系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。因此，有必要嚴(yán)格要求高速電主軸的動(dòng)平衡精度。

為了提高主軸的平衡性，在電主軸的設(shè)計(jì)需要采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，加工裝配時(shí)要提高精準(zhǔn)度。當(dāng)主軸從工廠回收時(shí)，調(diào)整初始動(dòng)平衡以改善主軸的平衡性，但主軸刀具仍有輕微的不對(duì)稱問(wèn)題，甚至刀具磨損或切屑粘刀的問(wèn)題，原有的動(dòng)平衡仍會(huì)被打破。由于工作條件復(fù)雜，主軸刀具系統(tǒng)會(huì)受到干擾，如切削力激勵(lì)、離心力和熱變形等是重要的影響因素，從而破壞主軸系統(tǒng)，使其無(wú)法保持穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。為了使電主軸高速運(yùn)行狀態(tài)，保障了數(shù)控機(jī)床的高效運(yùn)行和持續(xù)穩(wěn)定，需要設(shè)計(jì)在線運(yùn)行和自動(dòng)化運(yùn)行的動(dòng)平衡系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需要不斷改進(jìn)，以發(fā)揮其價(jià)值。

2.3 高速電主軸潤(rùn)滑技術(shù)

潤(rùn)滑高速電主軸，主要是潤(rùn)滑主軸軸承。因此，需要采用科學(xué)有效的潤(rùn)滑系統(tǒng)來(lái)控制軸承的溫升，從而保障了機(jī)床工藝系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。在選擇高速電主軸的潤(rùn)滑方式時(shí)，需要對(duì)軸承所屬類型、運(yùn)轉(zhuǎn)速度和負(fù)荷等，可以根據(jù)需要選擇油脂潤(rùn)滑方式、油霧潤(rùn)滑方式或噴射潤(rùn)滑方式等。

2.4 高速電主軸冷卻技術(shù)

電動(dòng)機(jī)的定子安裝在電主軸殼體內(nèi)，電主軸實(shí)施封閉設(shè)計(jì)，當(dāng)它在高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)，由于缺乏散熱條件，會(huì)出現(xiàn)殼體過(guò)熱的問(wèn)題。電主軸內(nèi)部有兩個(gè)熱源：第一個(gè)熱源是電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由于損耗會(huì)產(chǎn)生熱量；第二個(gè)熱源是由于軸承運(yùn)行中摩擦而產(chǎn)生的熱量。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生熱量時(shí)，主要的散熱功能是主軸殼體，部分熱量通過(guò)主軸傳遞到軸承，導(dǎo)致軸承溫度快速升高，其使用壽命必受到影響，主軸的制造精度受熱伸長(zhǎng)影響，主軸系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性無(wú)法保障。電主軸冷卻的方法是在定子與殼體連接的位置安裝循環(huán)冷卻水套，潤(rùn)滑軸承，以減少發(fā)熱量，合理的潤(rùn)滑不只能起到潤(rùn)滑的作用，還能起到冷卻的作用。

2.5 高速電主軸的主軸電機(jī)技術(shù)

電主軸中使用的電動(dòng)機(jī)大多為交流異步感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。由于永磁電機(jī)使用性能的提高，交流永磁同步電動(dòng)機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用，優(yōu)點(diǎn)是電主軸轉(zhuǎn)子不再發(fā)熱，電主軸不再產(chǎn)生熱變形，轉(zhuǎn)子無(wú)損耗，提高電主軸運(yùn)行效率，減小轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，加速啟動(dòng)和準(zhǔn)停速度。當(dāng)電主軸低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，可以保持良好的性能。

2.6 高速電主軸精密的加工與裝配技術(shù)

電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，為了保障其剛度和回轉(zhuǎn)精度，需要對(duì)重要零件進(jìn)行精密加工，甚至超精密加工，提高主軸零件裝配時(shí)的精密度。在主軸單元中，所有工件都需要精密加工，包括殼體的加工、軸承座的加工等有較高的精密度，軸承隔圈會(huì)隨著主軸高速旋轉(zhuǎn)，這也要求加工精度高。此外，在高速電主軸上加工刀具的裝配過(guò)程中，應(yīng)采用先進(jìn)工藝技術(shù)，裝配精密度應(yīng)滿足要求。

2.7 高速電主軸的溫度保護(hù)技術(shù)

設(shè)計(jì)高速數(shù)控銑床時(shí)，需要啟動(dòng)冷卻系統(tǒng)對(duì)主軸進(jìn)行冷卻。主軸內(nèi)部有三個(gè)軸承，分別是前軸承、中軸承和后軸承。主軸有不同的運(yùn)行速度和功率。如果溫度傳感器安裝在軸承附近，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主軸軸承的溫度。采集信號(hào)時(shí)，溫度傳感器需要起到可編程邏輯控制器輸入模塊的作用。不同類型的傳感器將信號(hào)分為4~20mA。在設(shè)計(jì)機(jī)床控制程序時(shí)，需要根據(jù)傳感器信號(hào)計(jì)算并校準(zhǔn)溫度。在實(shí)施軸承溫度保護(hù)時(shí)，還需要在程序中設(shè)置門檻限制值來(lái)保護(hù)軸承。

3、結(jié)論

通過(guò)以上研究可以明確，在機(jī)械產(chǎn)品制造過(guò)程中，應(yīng)用高速加工技術(shù)可以解決很多難題，加工精度高，質(zhì)量有所保障。因此，這項(xiàng)技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，成為主流技術(shù)。目前，高速電主軸技術(shù)發(fā)展迅速，各行業(yè)都根據(jù)自身需求對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了深入研究，在提高技術(shù)應(yīng)用效率的同時(shí)，也要發(fā)揮其節(jié)能環(huán)保的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化發(fā)展。