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数控机床--电主轴
日期：2009年11月04 来源：沈阳第一机床厂 关键字：数控机床
高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带传动和齿轮传动。机床主轴由内装式电动机直接驱动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机床的‘，零传动”。这种主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可做成“主轴单元”，也称做“电主轴”。高速电主轴系统是数控机床三人高新技术之—。其英文称谓有多种，如Eleetrospindle、MotorSpindle和MotorizedSpindle等。由于在土轴电动机与机床主轴之间没有中间传动环节，电主轴又被称为DirectDriveSpindle(自接传动主轴)。显然，实现了零传动的电主轴至少在以下三个方面显示丁它的优势：
(1)避免了齿轮、皮带等传统传动形式在高
速工作状态下产生的振动和噪声，以及由此对加下精度、表面粗糙度产生的负面影响；
(2)极大地减小厂主传动系统的转动惯量，从而为主轴的高加速度创造了条件：
(3)结构的简化和长度的缩短，显著提高电主轴的刚度和固有频率，从而提高了临界转速，为卞轴转速的提高打开了上限。随着数控拄术及切削刀旦的飞旺甘腮．械坐越多的机械制造装备不断地向高速、高精、高效、高智能化发展，电主轴已成为员能适宜各种高性能、复杂工况的数控机床的核心功能部件之一，尤其在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加下机床等睹多先进产品中，内装式电主轴的优异特点是其他类型主轴单元所不能替代的。高速、高精度电主轴起源于内表面磨削行业。以内表面磨加上为土导的轴承制造业对此需求较为迫切。
20世纪60年代我国电主轴行业处于萌芽期，主要是仿制欧美及前苏联的杆机”1958年，洛阳轴承研究所和哈尔滨轴承厂经过联合攻关， 排；设计和制造出我国首台内圆磨床川数控机床电主轴，其转速为30 000460 000r／min，功率为60kW。?0年代，我国第—代自行设汁、自行刀；发的磨床用电主轴问世，轴承行业称之为DZ系列。该系列电主轴装备了我国第一代全自动轴承内表面磨床，它的诞生标志着我国35m／s内圆磨床线速度的建立。
80年代，以GDZ系列电主轴为代表的高速、大功率电主轴问世了，这一系列的电t轴将同速度等级的电主轴的功率提升f 50％，轴径增加了5mm，与3MZ轴承专用内径磨床配套，其苎效苎严增加了1倍。90年代，洛阳轴承研究所开发了2GDZ系列超大功率、超大刚度磨床用电主轴，数控机床厂开发了5SD系列磨床用电主轴。近年来，随着油气润滑技术、恒温冷却严严瓷苎轴承等新技术的发展为电主轴技术水平的提高创造了有利条件。同时，由于我国机械加I行业高速切削技术发展的需要，电主轴技术开始走出轴承行业，扩腿到高速数控铣，产速雕苎：高速试验、高速离心、高速旋辗和PCB电路板高速孔加工等领域，成为数控机床的主要功能部件。
90年代末以来，洛阳轴承研究所承接了国家“九2z'’、 “十五”科技攻关重点项目，首先通过和国外先进厂家的合作，逐步白行开发研制加工中心用内装式电主轴，经国内许多机床厂家实际使用，取得很好的效果，为数控机床加工小扒U十轴同产化做出了贞献。
目前在高速精密电主轴领域，T•业发达国家处于领先地位。瑞上Fischer公司、IBAG公司，德国GMN公司、Siemens公司、Hofer公司，意人利Faemat公司、Gamfior公司，夹囤Ingersoll公司，日本Okuma公司和Fanuc公司等代表了该领域的世界先进水牛。套简直径32二320aun、转速10 0004200 000r／rain、功率0．5r-80kW、扭矩0．1～300N•m，涵盖／／Le秆规格。国外电主轴的主要特点如下‘
(1)功率大、转速高
目前单独实现电七轴的高转速或大功率在技术上已经不存在难题，但要同时实现高转速和大功率，则存在相当的技术难度。围绕滇技术，世界各国的公司展开了激烈竞争。在表5—1中列举了国内外几家著名公司生产的加工中心用电主轴的功率和转速的配套技术指标，从中町看出国内外电主轴的技术差距。
（2）采用高速高刚度轴承
国外高速精密主轴人量采用高速高刚度轴承，土要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。GMN和Gamfior等公司J‘泛采用氮化硅陶瓷苎的1岜合陶瓷轴承；美国Ingersoll公司采用液体动静压轴承，最高转速达到40 000r／rain；HX~Sei千公司采用空气润滑轴承，最高转速达到50 000r／min：瑞士IBAG公司磁悬浮轴承最高到200000r／mm。目前国内高速电主轴用轴承主要依赖进口，也有一部分采用国产的钢质角接触球轴承，但工竹；寿命有待进 步提高。国外高速精密电土轴籼承的d•。一般都在100万U亡，其中磁悬浮轴承的d•n值在400万以上。国内电工轴的(／•n值削V 般不超过100万，个别电主轴产品的d•n值虽能达到100万，但其功率低十5kW。
(3)精密加丁与精密装配l：艺水平高
精密加工和精密装kdT艺是电立轴的核心技术之—。电主轴的义罐车件(如上轴、葙件、前后轴承盖等)的制造工艺要求非常高。为了保证电主轴在高速运转时的回转精度和刚度，这些数控机床的关键零件必须进行精密加工或超精密加工，其尺寸误差’般在微米级或更小；对同轴度、垂直度和表面粗糙度也都有极严格的要求。为了制造这些高精度零件，国外电主轴的专业制造／．都装备有成套的高精度加厂设备，如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨床、高精度加丁中心、高精度数控内圆磨床和精密十心孔磨床等，同时还配备了高精度测试设备。们足在国内，如陶瓷轴承、异步型电动机转子等电土轴的关键零什制造中的关键问题还没有得到很好的解决， 自接影响了电芋籼的艳体顾量和制造水平。
(4)配套控制系统水甲高
这些控制系统包括转于自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定册子冷却温煌精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。例如，瑞十Fischer公司和德国Hofmmm 公司生产电乍轴配套的在线自动平衡系统，可以在线自动校止偏心，人幅度降低电主轴高速 厂况下的振动：SKF公司和NSK公司生产的轴承油气润滑系统，可以通过定时定量控制汕气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平。
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数控机床高速精密电主轴的关键技术
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