引言高速机床是实现高速切削加工的前提和条件。

高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方向之一，是装备制造业的战略性产业。

高速数控机床的工作性能，首先取决于高速主轴的性能。

高速铣床上的电主轴系统多采用高速电主轴。

高速电主轴是由内装式交流变频伺服电机直接驱动，机床主轴转速高，功率大，结构简单，在高转速下可保持良好的动平衡！数控铣床高速主轴单元包括主轴动力源、主轴、轴承和机架等几个部分，它影响加工系统的精度、稳定性及应用范围，其动力学性能及稳定性对高速加工起着关键的作用。

高速高精度主轴单元系统，应该具有刚性好、回转精度高、运转时温升小、稳定性好、功耗低、寿命长、可靠性高等优点，同时，制造及操作成本也要中。

要满足这些要求，主轴的制造及动平衡、主轴的支撑、主轴系统的润滑和冷却、主轴系统的刚性等是很重要的。

高速主轴单元的类型主要有电主轴、气动主轴、水动主轴等。

不同类型的高速主轴单元输出功率相差较大。

高速加工机床主轴要求在极短的时间内实现升降速，并在指定位置快速准停。

这就需要主轴有较高的角减速度和角加速度。

如果通过传动带等中间环节，不仅会在高速状态下打滑，产生振动和噪声，而且增加转动惯量，给机床快速准、停造成困难！电主轴是一种新型的机械结构形式。

是一种主轴电机一体化的主轴单元，即所谓的内装式电机主轴。

它采用无外壳电机，将带有冷却套的电机定子装配在主轴单元的壳体内，转子和机床主轴旋转部分做成一体，主轴的变速范围完全由交流电机控制。

这种结构大大简化了主传动的机械结构，取消了带传动和齿轮传动，从而把机床主传动链的长度缩短为零，实现了机械的“零传动”。

这种主轴电动机和主机主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从主机的传动系统和整体结构中相对独立出来，可以做成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。

其英文的称谓有多种，比如Electro-spindle、Motor Spindle和Motorized Spindle。

它是随着电气传动技术 (变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展而日趋完善。

由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。

由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”(Direct Drive Spindle)。

电主轴是一种智能型功能部件，具有转速高、功率大、高速运行的可靠性和安全性等优点。

电动机内置于主轴部件后，不可避免的将会产生发热的问题，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。

高频电动机要有变频器类的驱动器，以实现主轴转速的变换。

高速轴承有时要有专门的润滑装置。

另外为了保证高速回转部件的安全，还要有报警及停车用的传感器及其控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设备和技术。

因此，“电主轴”的概念不应该简单的理解为只是一根主轴套筒，而是一个完整的、在机床数控系统监控下的子系统总之，电主轴具有结构紧凑、重量轻、惯性小及动态特性好和改善机床动平衡，避免振动和噪声等特点发展越来越快。

而高速电主轴单元技术的发展，可以带动高速进给、高性能道具、检测与控制等一系列相关技术的发展。

因此各工业国家都十分关注电主轴单元技术的研究与发展。

1.数控铣床简介1.1.数控铣床组成数控铣床的基本组成见图1.1，它由床身、立柱、主轴箱、工作台、滑鞍、滚珠丝杠、伺服电机、伺服装置、数控系统等组成。

床身用于支撑和连接机床各部件。

主轴箱用于安装主轴。

主轴下端的锥孔用于安装铣刀。

当主轴箱内的主轴电机驱动主轴旋转时，铣刀能够切削工件。

主轴箱还可沿立柱上的导轨在Z 向移动，使刀具上升或下降。

工作台用于安装工件或夹具。

工作台可沿滑鞍上的导轨在X 向移动，滑鞍可沿床身上的导轨在Y 向移动，从而实现工件在X和Y 向的移动。

无论是X、Y 向，还是Z 向的移动都是靠伺服电机驱动滚珠丝杠来实现的。

伺服装置用于驱动伺服电机。

控制器用于输入零件加工程序和控制机床工作状态。

控制电源用于向伺服装置和控制器供电。

图1.1 数控铣床的基本组成图数控铣床的机械结构，除铣床基础部件外，由下列各部分组成：1.主传动系统；2.进给系统；3.实现工件回转、定位、的装置和附件；4.实现某些部件动作和辅助功能的系统和装置，如液压、气动、润滑、冷却等系统和排屑、防护等装置；5.刀架或自动换刀装置（ATC）；6.自动托盘交换装置（APC）;7.特殊功能装置，如刀具破损监控、精度检测和监控装置；8.为完成自动化控制功能的各种反馈信号装置及元件。

1.2.数控铣床的工作原理根据零件形状、尺寸、精度和表面粗糙度等技术要求制定加工工艺，选择加工参数。

通过手工编程或利用CAM 软件自动编程，将编好的加工程序输入到控制器。

控制器对加工程序处理后，向伺服装置传送指令。

伺服装置向伺服电机发出控制信号。

主轴电机使刀具旋转，X、Y 和Z向的伺服电机控制刀具和工件按一定的轨迹相对运动，从而实现工件的切削。

1.3数控铣床加工的特点（1）用数控铣床加工零件，精度很稳定。

如果忽略刀具的磨损，用同一程序加工出的零件具有相同的精度。

（2）数控铣床尤其适合加工形状比较复杂的零件，如各种模具等。

（3）数控铣床自动化程度很高，生产率高，适合加工批量较大的零件。

1.4数控铣床加工的主要对象（1）平面类零件加工面平行或垂直与水平面，或加工面与水平面的夹角为定角的饿零件为平面类零件。

平面类零件一般只需用三坐标数控铣床的两坐标联动（即两轴半坐标联动）就可以加工出来。

（2）变斜角类零件加工面与水平面夹角呈连续变化的零件称为变斜角零件。

此类零件的变斜角加工面不能展开为平面，最好采用四坐标、五坐标数控铣床摆角加工。

（3）曲面类零件加工面为空间曲面的零件称为曲面类零件。

也不能展开为平面，一般采用球头刀在三轴数控铣床上加工。

2.电主轴概述2.1电主轴的基本概念加工中心是集机、电、液、气、计算机和信息控制等各种技术于一体的机电一体化的典型产品，最能体现高速、高效、超精、数字化及结构紧凑等当今最先进、最流行的技术水平。

它广泛应用于能源、交通、原材料、农机、军工、轻纺织机械、汽车、模具等各个工业部门的机械制造领域中，它的技术水平高速及其在金属切削机床产量和总拥有量中的百分比是衡量一个国家机械工业制造水平的重要标志。

电主轴是一套组件，它包括电主轴本身及其附件：电主轴、高频变频装置、油雾润滑装置、冷却装置、内置编码器、换刀装置。

高速主轴单元是高速机床最为关键的部件。

高速主轴单元的主要类型有电主轴、气动主轴、水动主轴等等。

主轴部件是加工中心的主要功能部件，是决定机床高速化和高精度的关键部分，始终是机床技术发展的基础。

随着电气传动技术（变频调速技术、电动机矢量控制等）的迅速发展和日趋完善，高速数控机床主传动的机械结构已得到极大的简化，基本上取消了带轮传动和齿轮传动。

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，实现机床的“零传动”。

这种主轴电动机和主机主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴组件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，因此可以做成“主轴单元”，通常称为“电主轴”。

其英文的称谓有多种，比如Electro-spindle、Motor Spindle和Motorized Spindle等等。

它是随着电气传动技术 (变频调速技术、电动机矢量控制技术等)的迅速发展而日趋完善。

由于电主轴主要采用交流高频电动机，也称为“高频主轴”(High Frequency Spindle)。

由于没有中间传动环节，有时称为“直接传动主轴”(Direct Drive Spindle)。

电主轴是一种智能型功能部件，不但转速高、功率大、具有调速范围广、振动噪声小，而且便于控制、能实现定向准停、准速、准位等功能。

2.2电主轴单元关键技术电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程，其系统框图如图2.1。

电主轴单元所融合的技术主要包括以下几方面。

图2.1 系统框图2.2.1高速精密轴承技术实现电主轴高速化和精密化的关键是轴承的应用。

目前在大功率高速精密电主轴中应用的轴承主要是角接触陶瓷球轴承和液体东静压轴承。

空气轴承不时和于大功率场合，磁悬浮轴承由于价格昂贵、控制系统复杂，其实用性受到限制。

角接触球轴承是精密数控机床常用的主轴支撑。

由于滚球高速运转时会产生巨大的离心力和陀螺力矩，采用陶瓷球和钢质套圈混合轴承成为一种选择。

最常用的陶瓷球材料是43N Si 。

43N Si 陶瓷具有密度小、热膨胀系数小、弹性模量大和硬度高等优点。

用它作为高速主轴轴承的滚动元件，可大大减少滚球的离心力和陀螺力矩，从而使轴承获得高速度、低温升和长寿命的性能。

除混合轴承外，目前国内已开始在高速精密主轴上试验采用全陶瓷球轴承，其内外套圈、保持架和陶瓷球采用的材料有2ZrO 、43N Si 、32O Al 和聚四氟乙烯等。

陶瓷球的等静压成型和烧结是保证陶瓷球强度的基础，球的加工精度靠加工和检测来保证。

目前国内滚球的加工精度可达G5级以上。

对于全陶瓷球轴承，除陶瓷球外，陶瓷内外圈的精密加工也是关键，需要设计专门的工装固定内外圈坯件才能实现精密加工，内外沟道的加工精度的一致性也要靠恰当的工装和工序来保证。

尽管目前高速精密电主轴的支撑绝大部分为角接触陶瓷球轴承，但由于在极限转速和大负载工况下滚动轴承的功能丧失很快，液体动静压轴承的研究一直为国内外电主轴企业及专家重视。

动静压轴承作为电主轴轴承的主要技术难点是实现高速化，对其关键技术的研究主要有：动静压轴承的层流、紊流流体惯性的计算算法研究；动静压轴承层油腔结构的研究；轴承温升及热变形控制技术的研究及润滑介质的研究等。

2.2.2高速精密电主轴的动态性能和热态性能设计高速精密电主轴设计目标要求主轴刚度高、精度高、抗振性好、可靠性高。

传统的动力学分析常常将轴承刚度用假设的弹簧代替，利用有限元或传递矩阵法等数值计算方法计算主轴的各阶固有频率和振型，并在设计时使主轴的一阶固有频率高于设计的主轴最高转速所对应的频率。

该方法还能解释随着主轴速度升高，球轴承离心力变化导致主轴固有频率变化等动力学现象。

但该方法对球轴承刚度的非线性变化特点没有充分考虑。

根据电主轴的实际运行特点，有必要将“轴承——主轴——电动机——轴承座”作为一个系统进行动力学分析，同时充分考虑支承刚度非线性、主轴热扩散及热变形等热态性能对主轴动态性能的影响，并对整个电主轴进行动态优化设计，而轴承系统的动力学仿真是基础。

主轴动态性能设计的关键技术有：⑴滚动接触界面的非线性刚度变化规律。

滚动轴承的支承刚度与运转速度之间、载荷与变形之间是非线性的关系，且由于有限个滚动体的存在、轴承元件接触表面的加工几何误差、轴承材料的弹性及外力的变化等，使得轴承的刚度成为时变函数。