术之一。电主轴的上轴、前后轴承盖等的制造Ｔ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，其尺寸误差一般在微 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 电主轴的专业制造厂都装备有成套的高精度加工 设备，如高精度数控车削中心、精密数控外圆磨 床、高精度加工中心、高精度数控内圆磨床等，同 时还配备了高精度测试设备。在国内，如陶瓷轴
刀具夹紧方式以及刀具动平衡等。
在高速主轴单元中，由于机床既要完成粗加 工，又要完成精加工，因此对主轴单元提出了较高 的静刚度和工作精度的要求。另外，高速机床主轴 单元的动态特性也在很大程度上决定了机床的加 工质量和切削能力。当切削过程出现较大的振动 时，会使刀具出现剧烈的磨损或破损，也会增加主 轴轴承所承受的动载荷，降低轴承的精度和寿命， 影响加工精度和表面质量。因此，主轴单元应具有 较好的抗振性。高速运转下，主轴单元的振动问题 是非常突出的，采用电主轴是最佳的选择，这是因 为： （１）如果电机仍采用皮带或齿轮等方式传
高速电主轴对数控机床的影响
成都托普数控机床公司的ＰＭＣ６００高速立式加工
中心，大连机床集团有限公司的ＤＨＳＣ５００高速卧 式加工中心，沈阳机床股份有限公司的ＢＷ６０ＨＳ／ ｌ卧式加工中心等。 高速加工机床的涌现及超高速切削技术的发 展，带动了相关技术及数控功能部件的专业化生 产。数控功能部件是指数控系统、主轴单元、数控 刀架和转台、滚珠丝杠副和滚动直线导轨副、刀库 和机械手、高速防护装置等。它们是数控机床的核
Ａｌｍｌａｅｔ：Ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｉｓ ｔｈｅ ｋｅｙ ｐａｒｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ，ａｎｄ ｈａｓ
ｇｒｅａｔ
ｉｍｐａｃｔ
ｏｎ
ｔｈｅ
ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔ００１．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｅｓｓａｙ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｓｐｉｎｄｌｅ ｈａｓ
主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。美国Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ公
司采用液体动静压轴承，最高转速达到４０ ｍｉｎ；瑞士ＩＢＡＧ公司磁悬浮轴承最高至ｌＪ２００
０００ｒ／ ０００ｒ／
ｍｉｎ。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，但寿 命有待进一步提高。 ３．３精密／Ｊｎ Ｔ与精密装配工艺水平高 精密加工和精密装配工艺是电主轴的核心技
承、异步型电动机转子等电主轴的关键零件制造 中的关键问题还没有得到很好的解决，影响了数
控机床的制造水平。 ３．４配套控制系统水平高
这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承
油气润滑与精密控制系统、主轴变形温度补偿精 密控制系统等。例如，瑞士Ｆｉｓｃｈｅｒ公司和德国 Ｈｏｆｍｍｍ公司生产电主轴配套的在线自动平衡系 统，可以在线自动校正偏心，大幅度降低电主轴高 速运行情况下的振动；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进 气量保证轴承的润滑和温升控制在正常水平。 ４
微电子器件和计算机技术的发展，产合陶瓷 球轴承的出现，使得在２０世纪８０年代末、９０年 代初出现了用于铣削、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。 国外高速电主轴技术发展较快，中等规格的 加工中心的主轴转速目前己普遍达到１０
ＯＯＯｒ／ｍｉｎ
第３１卷第２期
２ ０ １
０年６月
哈 尔 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ
轴 滨 承 ＨＡＲＢＩＮ ＢＥＡＲＩＮＧ
Ｖ０１．３ｌ
Ｎｏ．２
Ｊｕｎ．２ ０ １ ０
数控机床高速电主轴技术及应用
每 荡
（洛阳轴研科技股份有限公司，河南洛阳４７１０３９）
摘要：高速电主轴是高速机床的核心部件，对数控机床的技术进步影响较大。文章介绍了高速电主轴的结构组 成和发展历程，总结了高速电主轴对数控机床的重要影响。 关键词：高速电主轴；数控机床；技术；发展 中图分类号：ＴＧ５９６；ＴＭ３３ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１６７２—４８５２（２０１０）０２—００４６—０３
０００
ｒ／ｍｉｎ，功率为８０ ｋＷ。
ｄ，：ｆＬ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。 随着高速切削发展的需要和功率电子器件、
目前世界各主要工业国家均有装备优良的专 业电主轴生产厂，批量生产一系列用于加工中心 和高速数控机床的电主轴。其中最著名的生产厂 家有：瑞士的ＦＩＳＣＨＥＲ公司、ＩＢＡＧ公司和 ＳＴＥＰ—ＴＥＣ公司，德国的ＧＭＮ公司和ＦＡＧ公司， 美国的ＰＲＥＣＩＳＥ公司，意大利的ＧＡＭＦＩＯＲ公司 和ＦＯＥＭＡＴ公司，日本的ＮＳＫ公司和ＫＯＹＯ公 司，以及瑞典的ＳＫＦ公司等。高速电主轴生产技 术的突破，大大推动了世界高速加工技术的发展 与应用。 从８０年代中后期以来，商品化的超高速切削 机床不断出现，超高速机床从单一的超高速铣床 发展成为超高速车铣床、钻铣床乃至各种加工中
ｉｎ ｍｏｔｏｒ
中网机床工具行业近几年的快速发展，受到
世界机床制造业界瞩目。代表当今机床技术发展 主流的数控机床，更是异军突起，国产数控机床在 高速、多轴、复合、精密以及自动化等方面都取得 了明显的进展。尤其在数控机床的高速化和品种 发展上进步明显。在ＣＩＭＴ２００３届展会的高速加 工中心展品有３０多台，占参展国产加工中心总数 的３０％。在高速加Ｔ中心展品中，宁江机床集团 公司的ＮＪ一５ＨＭＣ４０卧式加工中心最高主轴转速 达４０ ０００ｒ／ｍｉｎ，快速行程达６０ｍ／ｒａｉｎ。在高精度 产品中有北京机床研究所的高速立式加工中心，
均应达到预定的要求。在传统的电主轴设计中，由 于缺乏必要的分析计算，只能等产品加工出来后
再通过试验来考核其性能指标。若其性能指标不 能满足预定的要求，则要修改设计，重新制做，这 样必然导致产品的设计周期长，并且成本高。而现
代设计方法则要求在设计过程中通过一些分析计
算就应能够预测出主轴、轴承以及轴系的静、动态 性能指标，在产品加工出来以前就能知道设计是
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏｏｌ ａｎｄ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ
Ｌｉ Ｙａｎ
（Ｌｕｏｙａｎｇ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｌｕｏｙａｎｇ，４７１０３９，Ｃｈｉｎａ）
心组成部分。主机技术水平的不断提高，要求配套 的功能部件也必须迅速提高自身的水平。功能部 件技术水平的高低、性能的优劣以及整体的社会
配套水平，都直接决定和影响着数控机床整机的 技术水平和性能，也制约着主机的发展速度。没有 高质量的功能部件，数控机床的迅速发展也将成 为一句空话。 国产电主轴技术水平的高低必然影响产品在 主机上的应用。我国数控机床的发展历程充分证 明，数控功能部件产业发展的滞后，始终是制约我 国数控机床发展的瓶颈问题之一。功能部件跟不 上，发展数控机床将成为空话。我国数控机床整体 技术水平的发展和提高，最终离不开先进的功能 部件产业的支持。要抓住目前的黄金发展机遇，学 习国外同行的先进技术，探索国际合作途径，共同 为做大做强数控功能部件产业，为国产数控机床 的发展而努力奋斗。
甚至更高。１９７６年美国的Ｖｏｕｇｈｔ公司首次推出一 台超高速铣床，采用了Ｂｒｙａｎｔ内装式电机主轴系 统，最高转速达到了２０ ０００ｒ／ｍｉｎ，功率为１５ｋＷ。 到９０年代末期，电主轴发展水平是：转速４０
收稿日期：２０１０－０２－０３． 作者简介：李彦（１９８２一）．男，助理工程师 ０００
心等。德国、美国、瑞士、英国、法国、日本也相继推
ｏｎ ａｒｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ
ａ
ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ ｉｓ ｇｉｖｅｎ
ｏｎ
ｔｈｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｔｈａｔ ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ
ｔｈｅ ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ ｔ００１． ｍｏｔｏｅｒｉｚｅｄ ｓｐｉｎｄｌｅ；ｄｉｇｉｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍａｃｈｉｎｅ
Ｋｏ／ｗｏｒ凼：ｈｉ曲一ｓｐｅｅｄ
ｔｏｏｌ；ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
１
前言
高速电主轴的发展历程 早在２０世纪５０年代，就己出现了用于磨削
ｒ／ｍｉｎ，功率４０ ｋＷ（即所谓的“４０＿４０水平”）。但 ２００１年美国Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ公司为宇航工业生产了 ＳｕｐｅｒＭａｃｈ大型高速加工中心，其电主轴最高转速 达６０
并无严格的界限。对作为高速切削机床代表的加 工中心和数控铣床而言，一般是指最高转速≥ｌｏ ０００ｒ／ｍｉｎ的主轴系统，并相应具有高的角加（减）速 度，以实现主轴的瞬时升降速与起停。为适应制造 业对机床加工精度愈来愈高的要求，高速切削主 轴还应有较高的回转精度，通常要求主轴的径向 跳动小于１或２“ｍ，轴向窜动小于１斗ｍ。此外， 主轴也要有足够的静、动刚度，以承受一定的切削 负荷和保持高的回转精度。 高速电主轴是高速机床的核心部件，它将机 床主轴与变频电机轴合二为一，即将主轴电机的 定子、转子直接装入主轴组件内部，也被称为内装 式电主轴（ｂｕｉｌｔ ｓｐｉｎｄｌｅ），其间不再使用皮 带或齿轮传动副，从而实现机床主轴系统的“零传 动”。电主轴典型的结构如图１所示。高速电主轴 的结构紧凑、重量轻、惯性小、响应特性好，并可改 善主轴的动平衡，减少振动和噪声，是高速机床主 轴单元的理想结构。 高速主轴单元包括动力源、主轴、轴承和机架 四个主要部分，是高速机床的核心部件。这四个部 分构成一个动力学性能及稳定性良好的系统，在 很大程度上决定了机床所能达到的切削速度、加 工精度和应用范围。高速主轴单元的性能取决于 主轴的设计方法、材料、结构、轴承、润滑冷却、动 平衡、噪声等多项相关技术，其中一些技术又是相 互制约的，包括高速和高刚度的矛盾、高速和大转 矩的矛盾等。 从目前发展现状来看，主轴单元形成独立的 单元而成为功能部件以方便地配置到多种加工中 心及高速机床上，而且越来越多地采用电主轴类 型。电主轴技术包括高速主轴轴承、无外壳主轴电 机及其控制模块、润滑冷却系统、主轴刀柄接口和