一、简介

数控机床集高效率、高精度、高灵活性于一体，同时为了获得高生产率和提高加工精度，高速加工技术越来越受到业界的重视。超高速数控机床是实现超高速加工的物质基础，而高速主轴是超高速数控机床的“核心”部件，既要求较高的转速、精度，又要求连续输出的高转矩能力和大范围恒功率运行，于是，具有高转速、高精度、高速精密、高效率等相应特点的数控机床电主轴应运而生。

电主轴很早用于磨床上，后来发展到增加T型中心。由于强大的精密机械工业的不断需求，电主轴的功率和质量不断提高。目前电主轴较大的转速可以达到20000 r/min，直径范围33-300mm，功率范围125w-80kw，扭矩范围0.02-300nm。电主轴具有结构紧凑，重量轻。惯性小，动态特性好等特点，并能提高机床的动平衡。避免了振动、污染和噪音，因此在超高速切削机床中得到了广泛的应用。

二、电主轴的工作原理和典型结构

1、电主轴的工作原理

所谓电主轴，是指电机的转子直接作为机床主轴使用，主轴单元的外壳为电机座，并采取其他安全保障措施，实现电机与机床主轴的一体化。电主轴直接将空心的电动机转子安装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。

2、电主轴的基本组成

电主轴结构的基本结构通常由电主轴单元、轴承及其润滑单元，主轴冷却单元和动平衡单元组成。电主轴单元的典型结构布局方式是电机位于主轴的前轴承、后轴承之间，其优点是主轴单元的轴向尺寸较短，主轴刚度高，功率大，更适用于大型、中型高速数控机床；其缺点是在封闭的主轴箱体内电机的自然散热条件差，温升相对较高。

3、电主轴的典型结构

电机机的转子与机床的主轴之间的扭矩传递是通过盈套筒的过盈配合来实现的，过盈量是根据传递的扭矩的大小来计算的。在主轴上取消了各种形式的键连接和螺纹连接，便于主轴的运转部分实现精确的动平衡。由于转子内孔与主轴配合面之间的过盈量较大，转子在热压快速装配时需要在油浴中加热到200℃左右，电动机的定子通过冷却套安装在电主轴的外壳中。

三、电主轴的关键技术

电主轴是高速轴承技术、润滑技术、冷却技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及高速电机驱动等技术的综合应用。

1、电主轴的高速轴承技术

实现电主轴高速化精度化的关键是高速精密轴承技术的应用。目前电主轴使用的轴承有精密滚动轴承、液体静压轴承、空气静压轴承和磁力轴承等，但主要是精密角接触陶瓷球轴承和精密圆柱滚子轴承。角接触球轴承不只能同时承受径向和轴向载荷，而且刚度高、高速性能好、结构简单紧凑、品种规格多、维修更换方便，在电主轴上应用广泛。随着陶瓷轴承技术的发展，应用广泛的电主轴轴承是混合陶瓷球轴承，即滚动体采用Si3N4陶瓷球，采用“小珠密珠”结构，轴承套圈为GCrl5钢圈。这种混合轴承可以通过减小离心力和陀螺力矩来减少滚珠与通道之间的摩擦，从而获得更低的温升和更好的高速性能。

2、电主轴的润滑技术

1）高速电主轴需要采用合理的、可控的轴承润滑方式来控制轴承的温升，以保障了数控机床工艺系统的精度和稳定性。电主轴的润滑方式主要有油脂润滑、油雾润滑和油气润滑等。

2）实践表明，供油量过多或过少在润滑中都是有害的，而前两种润滑方式均不能准确控制供油量多少，不利于主轴轴承转速和使用寿命的提高。然而，新开发的油气润滑方法可以准确控制每个摩擦点的润滑油量，可靠性很高。

3）油气润滑技术是利用压缩空气向每套主轴轴承连续、准确地供给微量润滑油，微小的油滴在滚动轴承与内、外圈滚道之间形成弹性动压油膜，而压缩空气可以带走轴承运转产生的部分热量。

4）实践证明，油气润滑是高速大功率电主轴轴承较理想的润滑方式，但其所需设备复杂，成本高。油气润滑方式以其理想的润滑效果成为世界上很受欢迎的润滑方式。

3、电主轴的冷却技术

1）电主轴有两个主要的内部热源：内置电动机的发热和主轴轴承的发热。如果不加以控制，由此产生的热变形会严重减少机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而导致电主轴的使用寿命缩短。

2）电主轴采用内藏式主轴结构形式，位于主轴单元内的电机无法使用风扇散热，自然散热条件较差。在能量转换过程中，电机内部发生功率损耗，使电机发热。研究表明，在电机高速运行的情况下，电机发热量有近三分之一是由电机转子产生的，转子产生的热量大部分通过转子与定子之间的气隙传递给定子中；剩余的2/3的热量是在电机的定子中产生的，所以对电机产生发热的主要解决方案是利用冷却液的循环流动对电机定子进行强制冷却。典型的冷却系统是使用外部循环水式冷却装置来冷却电机定子并带走电机的热量。

3）角接触球轴承发热主要由滚子与滚道间的滚动摩擦、高速时陀螺力矩引起的滑动摩擦和润滑油的粘性摩擦等引起。减小轴承发热量的主要措施有：①适当减小滚珠直径，从而减小摩擦和发热量。②采用合理的润滑方式，油气润滑方式不只对轴承有润滑作用，还有一定的冷却作用。

4、电主轴的动平衡技术

当主轴高速旋转时，任何小的不平衡质量都会引起电主轴的大的高频振动，因此精密电主轴的动平衡精度需要达到G1-G0.4级。对于这种水平的动平衡，采用常规的方法，即在装配前将主轴上的各个零件分别进行动平衡是远远不够的，装配后还要对整个主轴进行动平衡，甚至设计专门的自动平衡系统来实现主轴的在线动平衡。此外，在设计电主轴时，需要严格遵守结构对称的原则，电主轴上禁止使用键连接和螺纹连接，但一般采用过盈连接实现扭矩的传递。

5、电主轴的运动控制技术

在数控机床中，电主轴通常采用变频调速的方法。目前主要有三种控制方式：普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制，以及直接转矩控制。

1）普通变频是标量驱动和控制，其驱动控制特点是恒转矩驱动，输出功率与转速成正比。普通变频控制动态性能不理想，低速时控制性能不好，输出功率不够稳定，不具备C轴功能，但价格便宜，结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。

2）矢量控制技术模

模仿DC电动机的控制方式，对转子磁场进行定向，采用矢量变换的方法实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在启动初期扭矩值大，电主轴本身结构简单，惯性小，因此启动加速度大，启动后瞬间即可达到允许极限速度。

3）直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的一种新型高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简单明了，更适合驱动高速电主轴，能更好地满足高速电主轴高转速、宽转速范围、高速瞬l’日J准停的动态特性和静态特性的要求，它已成为交流传动领域的一项热门技术。

四、结束语

目前，电主轴应用广泛，国外高速电主轴技术研究较早，电主轴单元发展迅速，技术水平处于领先地位，随着变频技术和数字技术的发展日趋完善，一系列标准产品逐渐形成。高转速电动主轴广泛应用于机床工业和工业制造业。未来应重点研发大功率、大扭矩、宽调速范围、快速启动、准确定位、自动对刀等数字化高标准电主轴单元。