CNC电主轴技术的发展趋势

随着高速切削、超高速切削技术以及切削刀具的发展，越来越多的机械制造装备都不断地向高速、高精、高效以及高智能化转变，各行业对高速数控机床的需求与日俱增。其中高速电主轴是数控机床高新技术之一，其内置电主轴直驱单元已经成为最适宜高性能工况的数控机床产品核心功能部件之一。高速数控机床设计制造中，高速电主轴最为关键。

目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要包括德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior以及日本大隈等，其中以GMN、IBAG、Omlet、Setco和Gammfier等公司的技术代表了这个领域的最高水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点:功率大、转速高；采用高速、高刚度轴承，国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，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；精密加工与精密装配工艺水平高；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、定转子冷却温度精密控制系统和主轴变形温度补偿精密控制系统等。在此基础之上，这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。

由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士IBAG的HF42的转速达到140 000 r/min、英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250 000 r/min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER最高转速达到42 000 r/min，意大利CAMFIOR达到了75 000 r/min。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。

根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求。因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step—Tec以及德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输出转矩到200 N·m以上的已经不是难事，德国CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的最大转矩更是达到了630 N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50 kW；CYTEC电主轴的最大输出功率为50 kW；瑞士Step—Tec电主轴的最大功率更是达到65 kW（S1），用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80 kW的报道。

用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001 mm以内、轴向定位精度在0.5 µm以下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。Step—Tec的电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。

为满足实际应用的需要，电主轴电动机的性能得到了改善，如瑞士FISCHER主轴电动机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比（即恒功率调速范围）达到了l：14。此外，出现了永磁同步电动机电主轴，与相同功率的异步电动机电主轴相比，同步电动机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。

为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加（减）速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到lg以上，全速启、停时间在l s以内。

除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾和油气等，尤其是油气润滑方法（又称Oil-air），由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷（又称定位预负荷）、弹性预负荷（又称定压预负荷）之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴（瑞士IBAG等）、液浮轴承电主轴（美国Ingersoll等）等已经有系列商品供应市场。

机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的CAT（7：24）刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用HSK（1：10）等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递转矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、高精度情况下使用。因此，HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用（如瑞士的IBAG、德国的CYTEC和意大利CAMFIOR等）。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与HSK接口相似，但传递转矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。

在多功能方面，有角向停机精确定位（准停）、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿以及换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监测和自动控制以及刀具磨损和损坏信号监控等，如Step-Tec电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。