数控机床高速电主轴技术要点分析

高速电主轴，即内置电机主轴单元，是数控机床的重要组成部分。主轴电机安装在机床的主轴单元中，驱动主轴，从而促使电机和主轴成为一个整体。提高数控机床的运行效率，需要掌握高速电主轴的技术要点，充分发挥其优势，同时促进电主轴技术的不断提高。

1.高速电主轴的优势

传统数控机床上的主轴运行，在发挥电机驱动功能的过程中，主要驱动中间传动装置和传动装置，如齿轮、皮带和联轴器等。这就是“机械主轴”，也形象地称为分离式主轴和直连式主轴。与这种传统的主轴相比，电主轴具有以下优点。

(1)主轴运转时，由内置电机驱动，不经过中间传动装置和传动装置。其设计结构简单紧凑，能提高运行效率，精度高。在运行过程中，不会有大的噪音，震动也很小。

(2)充分利用交流变频技术。在额定转速范围内，电主轴可以无级变速。机床运行时，无论任何工况或负载变化，电主轴都具有良好的适应性。

(3)内置电机运行时，可控制闭环矢量，根据控制指令有效调节功率，灵活控制驱动装置的运行速度和输出扭矩。电主轴可以满足各种大功率要求，如大扭矩低速重切削，或高速精加工。电主轴可以起到很好的作用，也可以实现准停，同时满足C轴传动功能。

(4)电主轴可以高速运行，稳定性好，动态精度高，使得数控机床的切削速度更高，加工精度更高。

(5)由于电主轴的运转不需要经过中间的传动环节，所以稳定性更高，不会受到外界冲击的影响。主轴的轴承不需要承受大的动载荷，可以延长精度寿命。

(6)电主轴使电机和主轴形成一个整体，形成一个单元，使电主轴可以系列化生产，形成一定的规模，生产更加专业化。电主轴作为数控机床的功能部件，也作为一种商品进入市场。企业可以根据数控机床主机的运行需要选择电主轴，这将促进组合机床的发展。

2.高速电主轴的技术要点

2.1高速电主轴的高速精密轴承技术

在电主轴系统中，主轴轴承技术是关键，主要包括三种，即静压轴承、角接触球轴承和磁力轴承。其中，液体静压轴承将液体静压轴承和液体动压轴承结合在一起，综合了两者的优点。高速性能好，调速范围大。角接触球轴承常用于数控机床，起主轴支撑作用，对高速性能有一定影响。造成这种现象的主要原因是滚珠由氮化硅制成，在高速作用下会增大离心力和陀螺力矩，使轴承的高速性能得到充分发挥，滚动体直径减小。由于制造成本高，控制系统复杂，该轴承不能轻易解决运行中的发热问题，只能用于特殊场合。

2.2高速电主轴的动平衡技术

高速电主轴具有高速、高精度运行和高加工效率的特点，但这些特点是建立在动平衡的基础上的。电主轴的运行状态会受到很多因素的影响，比如制造因素，主轴安装过程中的误差，或者材料不均匀，必然会导致运行不平衡。通常电主轴在运转时，运转速度可以超过10000转/分，甚至达到60000 ~ 100000转/分。主轴运转时，即使不平衡量很小，也可能影响主轴的旋转精度，甚至影响轴承支承系统的稳定性。因此，必须严格要求高速电主轴的动平衡精度。

为了提高电主轴的平衡性，电主轴的设计应采用对称结构，加工装配时应提高精度。主轴从工厂回收时，调整初始动平衡，改善主轴平衡。但是主轴刀具还是会有轻微的不对称，甚至刀具磨损或者切屑粘刀，原来的动平衡还是会被打破。由于工作条件复杂，主轴刀具系统会受到干扰，如切削力激励、离心力、热变形等都是重要的影响因素，从而破坏主轴系统，使其无法保持稳定、平稳的运行状态。为了使电主轴保持高速运行状态，保证数控机床高效稳定运行，需要设计一个在线运行和自动运行的动平衡系统，并根据实际应用需要不断完善，以充分发挥其价值。

2.3高速电主轴的润滑技术

润滑高速电主轴，主要是主轴轴承。因此，必须采用科学有效的润滑系统来控制轴承的温升，以保证机床工艺系统在运行中的精度和稳定性。在选择高速电主轴的润滑方式时，需要与轴承类型、运转速度、负载等有关。可以根据需要选择脂润滑方式、油雾润滑方式或喷射润滑方式。

2.4高速电主轴的冷却技术

电机的定子安装在电主轴的外壳内，电主轴采用封闭式设计。当它处于高速运行状态时，由于散热条件的缺乏，会出现外壳过热的情况。电主轴内部安装了两个热源:第一个热源是电机在运行过程中会因损耗而发热；第二个热源是由轴承运行过程中产生的摩擦引起的。当电机运行过程中产生热量时，主要起散热作用的是主轴壳体，部分热量通过主轴传递给轴承，导致轴承温度迅速升高，其使用寿命势必受到影响。主轴的制造精度受热伸长的影响，因此无法保证主轴系统的稳定性和可靠性。电主轴冷却的方法是在定子与外壳连接的位置安装循环冷却水套，共同润滑轴承，减少发热。合理的润滑不仅能起到润滑的作用，还能起到冷却的作用。

2.5高速电主轴的主轴电机技术

电主轴中使用的大多数电机是交流异步感应电机。由于永磁电机提高了性能，交流永磁同步电机被广泛使用。其优点是电主轴转子不再发热，电主轴不再产生热变形，转子不磨损，电主轴运行效率提高，转动惯量减小，启动和准停速度加快。当电主轴低速运行时，也能保持良好的性能。

2.6高速电主轴的精密加工和精密装配技术

电主轴在高速运转时，为了保证其刚性和转动精度，需要对重要零件进行精密加工，甚至是超精密加工。装配主轴零件时，需要提高精度。在主轴单元中，所有的工件都需要进行精密加工，包括壳体和轴承座的加工等。，并且轴承隔圈会随主轴高速旋转，这也要求很高的加工精度。另外，在高速电主轴上装配加工刀具的过程中，需要先进的工艺，装配的精度要满足要求。

2.7高速电主轴的温度保护技术

设计高速数控铣床时，需要启动冷却系统对主轴进行冷却。主轴中有三个轴承，即前轴承、中轴承和后轴承。主轴的运行速度和功率是不同的。如果温度传感器安装在轴承附近，可以实时监控主轴轴承的温度。温度传感器在采集信号时，需要起到可编程逻辑控制器输入模块的作用。不同类型的传感器将信号分为4 ~ 20mA。在设计机床控制程序时，需要根据传感器信号计算和标定温度。在实施轴承温度保护时，还需要在程序中设置阈值极限值来保护轴承。

3.结论。

通过以上研究可以明确，在机械产品的制造过程中，应用高速加工技术可以解决许多难题，加工精度高，质量有保证。因此，该技术在制造业中被广泛应用，成为主流技术。目前，高速电主轴技术发展迅速，各行业都在根据自己的需要对该技术进行深入研究。在提高技术应用效率的同时，还需要充分发挥其节能环保的特性，实现智能化发展。