電主軸關鍵技術研究綜述

單剛*，單文桃，芮曉倩

（江蘇理工學院，江蘇常州，213001）

電主軸關鍵技術研究綜述

單剛*，單文桃，芮曉倩

（江蘇理工學院，江蘇常州，213001）

高速電主軸作為高速機床的核心功能部件之一，已經成為世界各主要工業國重點研究對象。本文在總結電主軸的結構特點的基礎上，論述了電主軸的關鍵技術，重點介紹了國內外電主軸技術的現狀，分析了我國電主軸技術與國外先進水平之間的差距，最后指出了國產電主軸的研究發展方向。

電主軸；關鍵技術；研究方向

引言

國家在最新出臺的“關于加快振興裝備制造業的若干意見”中已經明確指出：發展大型、精密、高速數控裝備及其功能部件是振興裝備制造業的基礎，而發展數控功能部件是當務之急，是裝備業振興的必要條件。電主軸作為高速機床的核心功能部件之一[1]，它將主軸電機直接置于機床主軸單元內部直接驅動主軸，使機床傳動結構得到極大簡化，實現了“零傳動”。因為電主軸具有結構緊湊、重量輕、慣性小、動態性能好等優點，可以很好地改善機床的動平衡，避免振動和噪聲，同時傳統的滾動軸承主軸結構難以滿足高速機床高轉速、高精度的要求，因此電主軸在高速機床中得到了廣泛地應用。美國、德國、日本、意大利等工業發達國家，都在數控機床上廣泛采用電主軸結構，并取得了良好的經濟效益。隨著高速加工技術的迅猛發展，各工業部門特別是航天、航天、汽車和模具加工等行業，對高性能、高精度數控機床的需求越來越迫切[2]。同時，高速電主軸是完成高速加工的戰略性關鍵，其性能指標直接決定機床的發展水平。因此，對電主軸關鍵技術進行研究顯得十分重要。

1 電主軸的結構特點

在裝備制造業中，傳統的機床主軸是由電機通過中間變速和傳動裝置（如皮帶、齒輪、聯軸節等），驅動主軸旋轉而進行工作的，這種主軸形式稱為分離式和直聯式主軸（通稱機械主軸），與此相比，電主軸具有以下特點：

（1）主軸由內裝式電機直接驅動[3]，取消了帶輪傳動和齒輪傳動等傳動裝置，使機械結構得到了極大的簡化，具有結 ro構緊湊、重量輕、慣性小、振動小、噪聲低和精度高等優點。

（2）采用交流高頻電動機，可使電主軸在額定轉速范圍內實現無極調速，這樣可以滿足機床工作時不同工況和負載變化的需要。

（3）由于電主軸取消了電機到主軸傳動鏈中的齒輪、皮帶等一切中間傳動裝置，由動力源對主軸直接驅動，減少了傳動沖擊等外力作用，主軸可在高速條件下運行的更加平穩，同時主軸軸承承受的動載荷較小，延長了主軸軸承1的精度和壽命。

（4）電動機內置于主軸兩支承之間，這與用帶輪、齒輪等作末端傳動的結構相比，可提高主軸系統的剛度，也就提高了系統的固有頻率，從而提高了臨界速度值。這樣，即使電主軸在最高轉速運轉時，仍可確保低于其臨界轉速，確保高速運轉時的安全。

（5）采用內裝式電動機的閉環矢量控制、伺服控制等技術，這樣不僅可以滿足機床低速重切削時的大轉矩，高速精加工時大功率的要求，還能實現停機角向準確定位（即準停）及C軸功能，同時滿足要求有準停和C軸功能的加工中心、數控車床及其他數控機床的需要。

（6）實現了電動機和主軸的一體化、單元化，使電主軸能夠由制造商進行系列化、規模化和專業化生產，電主軸能夠以商品的形式進入市場，成為專門的數控機床功能部件之一，以供主機使用，促進了機床模塊化和其他技術的發展。

圖1 電主軸結構簡圖

2 高速電主軸技術的國內外研究現狀

高速電主軸是高速數控機床的核心功能部件之一，主要包括高速主軸軸承、主軸電機及其控制模塊、潤滑冷卻系統、主軸刀柄接口等。因此，高速電主軸是一種直接依賴于高速精密軸承技術、高速電機與驅動技術、油氣潤滑與冷卻技術、精密制造與裝配技術等關鍵技術，以及內置編碼器技術、自動換刀技術、在線自動動平衡技術等相關配套技術的高度機電一體化的數控機床等關鍵功能部件[4]。高速電主軸技術的研究已經成為國內外高速數控系統研究的熱點問題，其研究水平的高低是數控技術水平的標志。

2.1 國外高速電主軸技術的研究現狀

國外對高速電主軸的研究開始較早，最早應用于內圓磨床。隨著高速切削技術的發展，電主軸逐漸應用于各類高速數控機床中。目前世界上各主要的工業國家出現了許多機床電主軸功能部件的專業制造商，其中比較著名的有：瑞士的Fisher公司和IBAG公司，德國的GMN公司和FAG公司，美國的PRECISE公司，意大利的 CAMFIOR和 FOEMAT公司，日本的 NSK公司和MAZAK公司，以及瑞典的SKF公司等。其中，瑞士的IBAG公司在電主軸行業技術領先，現在被公認為代表了行業的發展趨勢[5]。IBAG公司提供的電主軸已經系列化，標準化，最大轉速可達180000r/min，直徑范圍33到300mm，功率范圍125W80Kw[6]。日本的MAZAK公司生產的MEGA-8800重切削臥式加工中心，配備了大功率、大扭矩電主軸，其輸出功率達85Kw，最大輸出扭矩1249Nm，適用于鎳基合金、鈦合金等難加工材料的加工[7]。

這些公司生產出的電主軸具有以下特點：

（1）功率大、轉速高。

（2）采用高速、高剛度軸承。國外高速精密主軸上采用高速、高剛度軸承主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合使用磁懸浮軸承和空氣潤滑軸承。

（3）精密加工與精密裝配工藝水平高。

（4）配套控制系統水平高。這些控制系統包括轉子自動平衡系統、軸承油氣潤滑與精密控制系統、定轉子冷卻溫度精密控制系統、主軸變形溫度補償精密控制系統等。

2.2 國內高速電主軸技術的研究現狀

20世紀60年代，國內開始對電主軸進行應用研究，主要用于零件內表面的磨削[8]。由于采用了無內圈式向心推力球軸承，使電主軸功率較低，剛度較小，限制了高速電主軸的產業化。隨著電主軸技術在國內的不斷發展，到了20世紀80年代末90年代初，國內一些科研單位和廠商開始研制其他用途的高性能電主軸。目前，國內也涌現出了一些專業的電主軸科研單位和公司。其中，河南省洛陽軸承研究所，其中河南省洛陽軸承研究所已經研制開發了額定轉速從5000r/min 到150000r/min，功率從0.2Kw到75Kw的13個系列的160余種電主軸產品，但其產品主要是用于軸承內圓磨削的高速電主軸[9]。安陽萊必泰機械有限公司研制生產的加工中心用電主軸，采用了先進的矢量閉環控制技術，能對主軸恒功率調速、準停制動，但其主要指標僅做到了最高轉速達 12000r/min、功率范圍為3.7～25Kw[10]。漢川機床有限責任公司也先后研制出5.5Kw和15Kw的大功率電主軸，錐孔振擺僅為 0.005mm/300mm，與日本電主軸的指標十分接近，最大噪聲65dB，不加冷卻的情況下最大溫升低15℃，重量僅150kg，但其最高轉速只能達到15000r/min[11]。總之，國內生產的磨削用電主軸的轉速在150000以內；加工中心用電主軸在30000r/min，轉矩達 200Nm的加工中心用電主軸轉速只有 4000r/min;車削用電主軸最高轉速可到12000r/min,最大功率只有11Kw。

近幾年，雖然我國電主軸技術發展迅速，但是與國外先進國家相比差距仍然很大，主要表現在：（1）高轉速；（2）低速大轉矩；（3）高精密支承軸承技術；（4）冷卻與潤滑技術；（5）在線監測與控制技術；（6）高性能電動機及電動機控制技術等方面。因此，在高轉速、高精度的高速數控機床和加工中心用電主軸，主要還是依靠進口。

2.3 與國外先進技術之間的差距

我國電主軸技術與國外先進水平差距主要體現在以下幾個方面：

（1）電主軸的低速大轉矩方面。國外電主軸在低速段的輸出轉矩可達300Nm以上，有的甚至可以超過600Nm（如德國的CYTEC），而國內多在100Nm以內。

（2）高速方面。國外用于加工中心用電主軸的轉速已經達到 75000r/min（如意大利的 CAMFIOR公司），而我國大多在20000r/min以下。鉆、銑用電主軸方面，國外已經達到了260000r/min（比如日本的SEIKO SEIKI），而我國電主軸的最高轉速為150000r/min。

（3）電主軸的潤滑方面。國外已經普遍使用先進的油氣潤滑，而我國雖然有部分企業和研究所使用油氣潤滑方式，但仍有較多企業和研究所仍以油脂潤滑和油霧潤滑為主。

（4）電主軸的支承方面。國外已經有了動靜壓液（氣）浮軸承電主軸（瑞士IBAG）、磁懸浮軸承的電主軸（瑞士IBAG）的成熟產品。而我國仍然處于科學研究、試驗和開發階段。

（5）其他與電主軸相關的配套技術方面。如主軸電動機矢量控制和交流伺服控制技術、精確定向（準停）技術、快速起動與停止技術等，這些技術國外已經比較成熟，而國內仍然不夠成熟，遠遠不能滿足實際生產需要。

（6）在產品的品種、數量和制造規模方面。盡管國內已經有部分制造商從事電主軸的研究和制造，但是仍然以磨床用電主軸為主，對于數控機床用電主軸仍處于少量開發與研究階段，遠沒有形成系列化、專業化和規模化生產，還無法與國外先進水平相比，遠遠不能滿足國內市場日益增長的需要。

3 電主軸關鍵技術

從表1的對比中可以發現，在高速電主軸的整體制造技術上，我國與國外仍存在較大差距，主要體現在高速精密軸承的研制、主軸電機及控制技術、高速和高精度條件下冷卻技術和振動的抑制、主軸零件與電機的裝配問題等關鍵技術方面，同時這也是影響我國高速電主軸發展的關鍵因素。

表1 國內外數控機床和加工中心用電主軸的主要參數表

3.1 高速精家軸承技術

高速精密軸承是高速電主軸的核心支承部件，它需要滿足高速、高剛度的要求，所以軸承的選擇和設計十分關鍵。對于高速、高精度的主軸來說，很高的 DmN值（即主軸軸承的平均直徑（mm）與主軸的極限轉速（r/min）的乘積值），應該要滿足在要求的轉速下的DmN值。因為電主軸的最高轉速取決于軸承的大小、布置和潤滑方法，所以軸承必須要具備高速性能好、動態負荷承載承載力高、潤滑性能好、發熱量小等特點。目前國內外高速電主軸多采用角接觸球軸承、動靜壓軸承以及磁懸浮軸承。

動靜壓軸承[12]綜合了動壓軸承和靜壓軸承的優點，是一種新型多油楔油膜軸承，它具備很好的高速性能，并且調速范圍寬。它既適合大功率的粗加工，又適用于超高速的精加工，但是這種軸承需經過專門設計和生產，標準化程度低，所以應用比較少。角接觸球軸承[13]是精密數控機床常用的主軸支承，影響其高速性能的原因主要是在高速條件下滾珠上的離心力和陀螺力矩都會增大，這會使滾珠與軸承外圈的接觸壓力增大，從而使摩擦和溫升增加。為了提高角接觸球軸承的高速性能，常采用的方法是減小滾珠的直徑、采用質量較輕的材料做滾珠等。磁懸浮軸承[14]雖然不存在機械接觸，轉軸可達到極高的轉速，但是由于造價高，控制系統過于復雜，同時發熱問題不易解決，通常只用于特殊場合。

3.2 主軸電機及控制技術

主軸電機的性能不僅關系到主軸的最大功率和力矩，甚至決定了整個電主軸的性能。合理選擇電機類型，設計電機的電磁參數，使電機單位體積下的功率密度更高、體積和轉動慣量相對較小具有重要意義[15]。

因為永磁電機受功率的限制，電主軸的電動機多采用交流異步感應電動機，采用矢量閉環控制來實現定位準停和剛性攻絲的要求。隨著永磁電機性能的不斷增強，在控制精度和調速范圍上較異步電機有優勢，所以越來越多的電主軸采用交流永磁同步電機。與采用異步電動機的電主軸相比，同步電主軸的優點主要表現在：轉子不發熱，從而有效減小了電主軸的熱變形；轉子無損耗，電主軸具有較大的功率密度，工作效率高；轉動慣量小，易于實現快速啟動和準停；低速性能好，易于實現精密控制。在加工中心的應用中，同步電主軸就顯示出了占用空間小、結構緊湊，特別適合高精度強力重載加工場合的優勢。電主軸的伺服控制需要滿足精準定位和高加減速的要求，因此多采用矢量控制算法，該算法的控制系統由電流內環、速度環和位置環組成。高速的全數字處理器的使用不僅使復雜的伺服控制算法得以實現，而且保證了電主軸相應的快速性和伺服控制精度。目前，國內小功率的永磁同步電機及伺服控制技術水平與國外差距不大，但是在大功率、高轉速永磁同步電機方面與國外發達國家差距較大，特別是功率40KW，轉速10000r/min以上的永磁同步電機及控制技術，這仍是我國電主軸技術中需重點研究的關鍵技術之一。

3.3 電主軸的潤滑及冷卻技術

高速電主軸的潤滑主要指的是主軸軸承的潤滑，軸承作為高速電主軸的核心支承部件，在高速回轉時，采用正確的潤滑方式顯得極為重要，如果稍有不慎，就會導致軸承因為過熱而燒壞。同時軸承必須采用合理的、可控制的潤滑系統來控制軸承的溫升，從而保證機床工藝系統的精度和穩定性。高速電主軸的潤滑方式的選擇與軸承的轉速、負荷、容許溫升及軸承的類型有關，可采用的潤滑方式有油脂潤滑、油霧潤滑、油氣潤滑、噴射潤滑以及環下潤滑等[16]。

電主軸的結構特點是把電動機的定子直接安裝在殼體內，同時，電主軸內部結構緊湊，使得主軸功率密集，這就會不可避免地引發散熱問題。發熱引發的熱變形將導致機床喪失加工精度。電主軸內部主要有兩個熱源：電動機損耗發熱和軸承摩擦發熱[17]。電動機產生的熱量主要通過主軸殼體散熱[18]，且有一部分熱量會通過主軸傳遞到軸承上，加劇了軸承溫升，影響其使用壽命，同時造成轉軸發生熱變形，影響其加工精度，嚴重降低了主軸系統的可靠性。

電主軸的主要冷卻措施是電機定子與殼體連接處設計循環冷卻水套[19]，同時采用合理的潤滑方式也可減少熱量，如油氣潤滑對軸承不僅有潤滑作用，還具有一定的冷卻作用。

3.4 電主軸的動平衡技術

在高速旋轉和切削的情況下，電主軸運轉部分微小的不平衡量，都會引起巨大的離心力，造成機床的振動，振動過大會引起劇烈的磨耗和破損，增加主軸承載的動態負荷，降低壽命和精度。電主軸的動態特性很大程度上決定了機床的加工質量和切削能力。因此，對高速電主軸動平衡特性的研究也是電主軸關鍵技術的一個熱點問題。

為了使轉子在裝配后達到精確的動平衡，在設計初就應該充分考慮造成其動平衡問題的受迫力和自激振動能力的因素，所設計的主軸部件應該對這兩類性質不同的振動都具有良好的抵抗能力，以保證電主軸在高速切削的時候具有良好的運轉精度和傳動能力。

高速電主軸的動平衡精度的要求十分嚴格，一般應達到G1G0.4級。這樣高的要求不僅在裝配前對每個零件進行動平衡，而且在裝配后還要進行整體精確動平衡，甚至要設計專門的自動平衡系統來實現主軸的在線平衡[20]，從而保證主軸的高速平穩運行。

4 國內電主軸技術研究方向

本文在綜述數控機床用電主軸單元技術的國內外發展現狀，并分析電主軸的幾項關鍵技術的基礎上，總結出數控機床電主軸單元技術研究方向，主要有以下幾個方面：

（1）以減少發熱、提高主軸功率密度為目標，解決永磁同步電機容量低、弱磁困難的技術難題，研制開發出高性能永磁同步電主軸及其驅動系統。

（2）以提高主軸壽命為目標，解決液體動靜壓軸承最高轉速低的問題，研制以液體動靜壓軸承為支承的大功率電主軸。

（3）研究開發更方便、更精確的潤滑方式，改善軸承在高速條件下的潤滑狀態，提高其使用壽命。加強油氣潤滑、環下潤滑等新型少油潤滑技術的研究，為高速電主軸未來發展開辟新途徑。

（4）加快研究電主軸單元的在線動平衡技術，提高主軸的運轉精度。

（5）加強計算機仿真技術在高速電主軸設計中的應用研究。開發集設計、工藝分析和結構設計等子專家系統于一體的并行式多專家電主軸CAD設計系統。

5 結束語

隨著高速加工技術的不斷發展，對數控機床用電主軸提出了越來越高的要求，電主軸作為高速數控機床的核心部件，自然也成為了國內研究的重點。我國在“十二五”規劃中明確提出了電主軸對于裝備制造業發展的重要意義，因此，我國應把電主軸技術的研究作為發展裝備制造業的重點。

電主軸單元是一套組件，它是一項涉及電主軸本身及其附件的系統工程，它融合的技術包括：高速精密軸承、內置式無外殼電機、動平衡控制技術、潤滑冷卻系統等，各方面的技術都需要深入研究。

[1]吳玉厚. 數控機床電主軸單元技術[M]. 北京： 機械工業出版社,2006.

[2]易紅. 數控技術[M]. 北京： 機械工業出版社,2005.

[3]蔣曉東,李巖,夏加寬. 永磁同步電動機機座振動模態仿真分析[J].微電機,2013(12)： 23-27.

[4]李松生,楊柳欣,吳梅英. 數控機床用高速電主軸技術的現狀與發展趨勢[J]. 世界制造技術與裝備市場. 2004(3)： 13-15.

[5]Bert R,Jorgensen,Y.C. Shin. Dynamics of Machine Tool Spindle/Bearing Systems under Thermal Growth[J]. Journal of Tribology. 1997,119(10)： 875-882.

[6]C. Brecher,G. Spachtholz,F. Paepenmuller. Developments for High Performance Machine Tool Spindles[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology. 2007,56(1)：3 95-399.

[7]V. P. Raja and P. R. Pillai. Thermal Analysis of Spindle Units under High Speed Machining[J]. IE(I) Journal- MC. 2001,(81)： 155-159.

[8]徐同申. 國內數控用電主軸系統的發展[J]. WMEN. 2004,(1)： 40-41.[9]陳燕林,段志善,熊萬里. 高速電主軸技術的研究現狀與發展[J]. 機械研究與應用,2004(4)： 10-12.

[10]姚華. 數控機床高速電主軸的研究進展[J]. 2004(2)： 5-6.

[11]李玉亭,李麗,李彥,等. 數控機床用電主軸[J]. 機械研究與應用.2009,22(3)： 25-29.

[12]楊立芳,葉軍. 高速加工中的機床主軸軸承技術[J]. 軸承,2012(1)：34-39.

[13]徐文龍,肖曙紅,肖紅光. 角接觸球軸承傳熱機理及其對高速電主軸性能的影響[J]. 機電工程技術. 2016(4)： 41-47.

[14]劉淑琴. 磁懸浮軸承技術在電主軸中的應用[J]. 機械工人出版社,2005(8)： 102-108.

[15]蔣書運. 高速電主軸動態設計方法[J]. 世界制造技術與裝備市場.2004,(5)： 54-56.

[16]吳隆. 高速銑床電主軸的潤滑與冷卻[J]. 潤滑與密封,2004,(4)：112-113.

[17]吳玉厚,于文達,張麗秀,等. 150MD24Y20高速電主軸熱特性分析[J]. 沈陽建筑大學學報. 2016,(4)： 8-12.

[18]姜本剛,雷群,杜建軍. 高速滾珠軸承電主軸熱態特性分析[J]. 潤滑與密封. 2017,(2)： 14-20.

[19]何強,張鵬偉,李麗麗,等. 高速磨削電主軸冷卻系統的適用研究[J].機床與液壓. 2016,(9)： 36-38.

[20]章云,梅雪亮. 高速主軸動平衡及其在線控制技術[J]. 中國工程科學,2013,(1)： 37-41.

A Summary of Key Technology Research on Motorized Spindle

SHAN Gang*,SHAN Wentao,RUI Xiaoqian
(Jiangsu University of Technology,Jiangsu Changzhou,213001,China)

Motorized spindle as one of the core functional units of high speed machine tool,has become the key study object in main industrial countries all over the world.This paper summarizes the structural characteristics of motorized spindle,discusses the key technology of motorized spindle,emphatically introduces the present situation of motorized spindle technology at home and abroad,analyzes the gap between our country's motorized spindle technology and foreign advanced level,finally points out the research and development direction of domestic motorized spindle.

motorized spindle; key technology; research direction

A

1672-9129(2017)06-0103-04

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2017.06.035

單剛,單文桃,芮曉倩. 電主軸關鍵技術研究綜述[J]. 數碼設計,2017,6(6)： 103-105.

Cite：SHAN Gang,SHAN Wentao,RUIXiaoqian. A Summary of Key Technology Research on Motorized Spindle[J]. Peak Data Science,2017,6(6)： 103-105.

2017-02-03；

2017-03-10。

單剛，（1992-），在2015年于鹽城工學院獲得學士學位。現為江蘇理工學院研究生在讀。主要研究方向為高速電主軸技術。

國家自然科學基金青年基金（51405209）；江蘇省青藍工程優秀青年骨干教師項目。

Email：759737832@qq.com