电主轴设计的一些要点

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1、电主轴石超杰2015.04.031. 电主轴简介2. 电主轴的关键技术3. 一些电主轴产品4. 电主轴的发展趋势 关于电主轴1. 电主轴简介 1.1 高速主轴 1.2 电主轴的特点 1.3 电主轴的发展与现状关于电主轴1. 电主轴简介1. 电主轴简介（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去皮带、齿轮、联轴节等变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高的特点。（2）采用交流变频调速技术，输出功率大、调速范围广，有比较理想的转矩-功率特性，一次装夹即可实现粗加工（低速大转矩）又可进行高速精加工。（3）实现了主轴部件的单元化，可由专业厂进行系列化生产，可方便地组成各种性能的高速机床

2、，符合现代机床设计模块化的发展方向。1.2电主轴的特点 电主轴取消了从电机到主轴之间一切机械传动的中间环节，如皮带、齿轮、联轴器，实现了主电机与机床主轴的一体化。主要具有以下特点：1. 电主轴简介1.3电主轴的发展与现状 早在20世纪50年代，就已出现了用于磨削小孔的高频电主轴。当时的变频器采用的是真空电子管，虽然转速高，但传递的功率小，转矩也小。 20世纪80年代末90年代初，随着功能电子器件的发、微电子器件和计算机技术的发展，产生了全固态元件的变频器和矢量控制驱动器，加之陶瓷球混合轴承的出现，最终出现了用于铣削、钻削、加工中心及车削等加工的大功率、大转矩、高转速的电主轴。 到21世纪初，国

3、内外专业的电主轴制造厂已可供应几百种规格的电主轴。其套筒直径从32mm到320mm、转速从10000rpm到150000rpm、功率从0.5kW到80kW、转矩从0.1Nm到300Nm不等。 国际上公认的电主轴领军厂商是瑞士的IBAG公司，提供功率范围从0.1kW到40kW，转速范围从12000rpm到120000rpm，直径范围从30mm到130mm的电主轴产品及相应的定制产品。 国内的洛阳轴研科技股份有限公司在电主轴的研发、生产上也有很高的成就，目前已经具备超过200种电主轴的生产能力，其功率从0.4kW到33kW，转速范围从3000rpm到150000rpm。2. 电主轴的关键技术 2.

4、1 高速精密轴承技术 2.2 动平衡技术 2.3 润滑技术 2.4 冷却技术 2.5 主轴电机技术 2.6 精密加工和精密装配的技术关于电主轴2. 电主轴的关键技术2.1高速精密轴承技术 主轴轴承技术是电主轴系统的一项关键技术。目前，国内外高速电主轴多采用角接触球轴承、动静压轴承及磁悬浮轴承等。 动静压轴承是一种综合了动压轴承和静压轴承优点的新型多油楔油膜轴承，有很好的高速性能，而且高速范围宽。 角接触球轴承是精密数控主轴支承，影响其高速性能的主要原因是高速下作用在滚珠上的离心力和陀螺力矩增大，为了提高轴承的高速性能，常采用减小滚动体直径和改用氮化硅陶瓷材料制造滚珠的方法。 磁悬浮轴承造价高、

5、控制系统复杂，发热问题不易解决，因而通常只用于特殊场合。2. 电主轴的关键技术 氮化硅材料的密度只有钢的41%，在高速运转时可大幅降低滚珠受到的离心力，从而减小滚珠对轴承外圈的压力，利于实现高速性能；氮化硅陶瓷的热膨胀系数只有轴承钢的1/4，许用工作温度达到1000，即使在较大温度变化范围内，滚道间隙的变化也很小，特别适用于高速发热转子。陶瓷的弹性模量是轴承钢的1.5倍，硬度是轴承钢的2倍多，相同负荷下，陶瓷球的形变较小，因而可以显著提高轴承的刚度，从而提高转子-轴承系统的动态性能。2. 电主轴的关键技术2.1高速精密轴承技术 （2）磁悬浮轴承 根据悬浮力是否可以主动控制，磁悬浮轴承可划分为两

6、种类型：被动型磁悬浮轴承主要利用磁性材料之间固有的斥力或吸力来实现转轴的悬浮，结构简单，功率损耗少，但阻尼与刚度也相对较小，通常在负载较小，对位移控制精度要求不高的场合采用被动型磁悬浮轴承。主动型磁悬浮轴承主要是通过主动控制定、转子之间的磁场力来实现转轴的稳定悬浮，其工作原理为：控制器根据转轴的位移信号来实时控制定子电磁铁中电流的大小与方向，使转轴稳定悬浮于某一位置。2. 电主轴的关键技术2.2动平衡技术 高速电主轴具有转速高、运行精度高、加工效率高的特点。转速和精度的提高是以高精度动平衡为前提的，但对于电主轴而言，由于制造、安装误差以及材料不均匀等因素的影响，不平衡现象不可避免。电主轴的最高

7、转速一般在10000rpm以上，有的高达100000rpm，主轴运转部分微小的不平衡都可能导致主轴回转精度的严重丧失乃至轴承支承系统的失稳。因此高速电主轴的动平衡精度应严格要求，一般应达ISO标准G4.0级以上（在最高转速时不平衡引起的振动最大速度不能高于0.4 mm/ s）。 为减少主轴的不平衡，在设计时应尽量采用对称的结构，在加工装配过程中尽量减小误差，并且主轴出厂时会进行初始动平衡调整以减小主轴失衡量。即使如此，在使用过程中由于主轴刀具微小的不对称，以及刀具的磨损或切屑的粘刀仍然会破坏原有的动平衡。另外，主轴刀具系统受切削力激励、热变形、离心力等复杂工况的干扰，也会破坏主轴的动平衡，从而

8、使调速机床主轴系统的稳定性被破坏。因此，为了充分发挥高速电主轴的效能，保障机床的长期稳定和高效运行，应设计专门的在线自动动平衡系统。2. 电主轴的关键技术2. 电主轴的关键技术2.3润滑技术（2）油雾润滑 这种润滑方式利用压缩空气把经过油雾发生器的油液雾化后和压缩空气混合，经管路输送到需润滑的部位。 油雾润滑的优点是：喷口直接对准内轴承滚道和滚动体钢球，有较好的润滑效果；持续不断的提供油雾混合压缩空气，可以迅速带走电主轴轴承旋转时产生的热量，使轴承有稳定的温度；连续不断的供油，不存在油质老化的问题，保证了润滑油的质量；主轴内部的压缩空气可以形成压力环境，内部环境压力比外部的高，可以有效阻止外部

9、杂质和尘埃的进入。油雾润滑可以持续进行，且设备简单，制造成本低，维修方便，可以有效保证高速电主轴稳定的工作。 油雾润滑的主要缺点是：供油量不能精确控制，回收困难，油耗比较高，多余的油雾混合压缩空气会排放入工作环境中造成污染环境，损害工人健康。油雾润滑由于有以上缺点，在国外专业电主轴公司已不向用户提供油雾润滑装置，将被其它新型润滑方式逐渐替代。 2. 电主轴的关键技术2. 电主轴的关键技术2.4冷却技术 电主轴的结构特点是电动机的定子直接安装在壳体内，由于电主轴相对封闭，其高速运转时自然散热条件较差。电主轴内部有两个主要的热源：电动机损耗发热和轴承摩擦发热。电机产生的热量主要通过主轴壳体进行散热

10、，且有相当一部分会通过主轴传到轴承上，加剧轴承的温升，影响其使用寿命，同时造成转轴热的伸长，影响制造精度，从而影响主轴系统的可靠性。 电主轴主要冷却措施是在电机定子与壳体连接处设计循环冷却水套，同时轴承合理的润滑方式也可减小发热量，如油气润滑方式对轴承不但具有润滑作用，还具有一定的冷却作用。 比较有效的冷却方式是在主轴套筒外设计连续的水冷却环槽，让冷却液先流经主轴套筒上的螺旋冷却环槽，然后再喷出到刀具刀尖，这种方式可以有效的减少系统热能向机床主轴传导，带走轴承产生的绝大部分热量。对于有些要求较高的单元式结构主轴，机床可将主轴水冷却和切削液分为两个不同的系统。 2. 电主轴的关键技术2.4冷却技

11、术 高速电主轴一般采用水冷、气冷或油水热交换循环的方式进行冷却。为了提高散热效果，越来越多的电主轴采用油水热交换循环的方式对内置电机定子强制冷却，同时这种冷却方式也可以对高速主轴轴承强制冷却。 高速电主轴的油水热交换循环冷却系统，对电机定子使用连续、大流量的冷却油循环冷却，冷却油先注入主轴壳体上的入口油，经过开有螺旋冷却槽的定子冷却套，可带走电机定子产生的绝大部分热量，冷却油再从定子冷却套的出油口流出，然后通过逆流式冷却交换器，经过冷却水的热交换冷却，降低热油的温度后，流回冷却油箱，再一次通过压力泵增加压力输入到入油口，实现循环冷却。2. 电主轴的关键技术2.5主轴电机技术 主轴电机的性能决定