高速电主轴是高速加工中心的核心部件。在模具自由曲面和复杂轮廓的加工中，常常采用2～12mm较小直径的立铣刀，而在加工铜或石墨材料的电火花加工用的电极时，要求很高的切削速度，因此，电主轴必须具有很高的转速。目前，加工中心的主轴转速大多在18000～42000r/min，瑞士Mikro的高速加工中心XSM400U/XSM600U其主轴转速已达54000r/min。而对于模具的微细铣削(铣刀直径一般采用0.1～2mm)，则需要更高的转速。如德国Kugler公司的五轴高精度铣床，其高主轴转速达160000r/min(采用空气轴承)，这样的高转速，当采用0.3mm直径的铣刀加工钢模时，就可达到150m/min的切削速度。目前，德国Fraunhofer生产技术研究所正在开发转速为300000r/min的空气轴承支撑的主轴。

    加工模具时，总是采用很高的转速，而高转速产生的发热，以及切削时可能产生的振动是影响模具加工精度的重要因素。为保证高速电主轴工作的稳定性，在主轴上装有用来测量温度、位移和振动的传感器，以便对电机、轴承和主轴的温升、轴向位移和振动进行监控。由此为高速加工中心的数控系统提供修正数据，以修改主轴转速和进给速度，对加工参数进行优化。当主轴产生轴向位移，则可通过零点修正或轨迹修正来进行补偿。

    高速轴承技术

    电主轴通常采用动静承、复合陶瓷轴承或电磁悬浮轴承。

    动静承具有很高的刚度和阻尼，能大幅度提高加工效率、加工质量、延长刀具寿命、降低加工成本，这种轴承寿命多半无限长。

    复合陶瓷轴承目前在电主轴单元中应用较多，这种轴承滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承套圈仍为钢圈，标准化程度高，对机床结构改动小，易于维护。

    电磁悬浮轴承高速性能好，精度高，容易实现诊断和在线监控，但是由于电磁测控系统复杂，这种轴承价格十分昂贵，而且长期居高不下，至今没有得到广泛应用。

    高速电机技术

    电主轴是电动机与主轴融合在一起的产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分，理论上可以把电主轴看作一台高速电动机。关键技术是高速度下的动平衡；

    结构说明及油气润滑

    电主轴的基本构成

    电主轴是一个高精度的执行元件，而影响电主轴回转精度的主要因素有：

    ①主轴误差 主要包括主轴支承轴颈的圆度误差、同轴度误差（使主轴轴心线发生偏斜）和主轴轴颈轴向承载面与轴线的垂直度误差（影响主轴轴向窜动量）

    ② 轴承误差

    轴承误差包括滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的圆度误差，滑动轴承内孔或滚动轴承滚道的波度，滚动轴承滚子的形状与尺寸误差，轴承定位端面与轴心线垂直度误差，轴承端面之间的平行度误差，轴承间隙以及切削中的受力变形等。

    ③ 主轴系统的径向不等刚度及热变形

    从以上可以看出影响电主轴回转精度的主要原因就是轴承磨损，轴及接触面磨损。为了保证我们的电主轴能在保证精度的情况下正常工作，我们就要尽可能的降低轴承相关部位的磨损率，而降低磨损的主要方式就是润滑，对轴承进行润滑处理，保证良好的润滑及冷却效果。因此选择合理正确的润滑方式是保证电主轴正常工作的重要条件。

    经过多年研究和一些客户的反应，油气润滑装置使用在电主轴上面被普遍认可，俗称“电主轴油气润滑装置”。电主轴油气润滑装置通俗的解释就是，油跟随气体的流动而往前运动。气体在运动过程中，会带动附着在管壁上面的少量油滴进入到两边的传动轴承，喷洒到摩擦面上的是带有油滴的油气混合体。这种润滑装置不仅经济、环保、快速、高效，更重要的是油滴适中，不会造成因油量过多轴承无法散热，也不会造成因油量过多，轴承在高速旋转过程中产生背压，避免了电主轴负载增加，更不会产生窜动现象。

    公司一直在和北京多普赛进行合作，一直使用他们的威普4油气润滑装置进行轴承润滑，市场客户评价很高，已经实现了经济、快速、高效、节能的几大特点。

    冷却装置

    为了尽快给高速运行的电主轴散热，通常对电主轴的外壁通以循环冷却剂，冷却装置的作用是保持冷却剂的温度。

    内置脉冲编码器

    为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相角控制以及与进给的配合。

    自动换刀装置

    为了应用于加工中心，电主轴配备了自动换刀装置，包括碟形簧、拉刀油缸等；

    高速刀具的装卡方式

    广为熟悉的BT、ISO刀具，已被实践证明不适合于高速加工。这种情况下出现了HSK、SKI等高速刀具。

    高频变频装置

    要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用一高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率必须达到上千或几千赫兹。

    在数控机床中，电主轴通常采用变频调速方法。目前主要有普通变频驱动和控制、矢量控制驱动器的驱动和控制以及直接转矩控制三种控制方式。

    普通变频为标量驱动和控制，其驱动控制特性为恒转矩驱动，输出功率和转速成正比。普通变频控制的动态性能不够理想，在低速时控制性能不佳，输出功率不够稳定，也不具备C轴功能。但价格便宜、结构简单，一般用于磨床和普通的高速铣床等。

    矢量控制技术模仿直流电动机的控制，以转子磁场定向，用矢量变换的方法来实现驱动和控制，具有良好的动态性能。矢量控制驱动器在刚启动时具有很大的转矩值，加之电主轴本身结构简单，惯性很小，故启动加速度大，可以实现启动后瞬时达到允许极限速度。这种驱动器又有开环和闭环两种，后者可以实现位置和速度的反馈，不仅具有更好的动态性能，还可以实现C轴功能；而前者动态性能稍差，也不具备C轴功能，但价格较为便宜。

    直接转矩控制是继矢量控制技术之后发展起来的又一种新型的高性能交流调速技术，其控制思想新颖，系统结构简洁明了，更适合于高速电主轴的驱动，更能满足高速电主轴高转速、宽调速范围、高速瞬间准停的动态特性和静态特性的要求，已成为交流传动领域的一个热点技术。[1]

    故障现象一：电主轴发热

    检查、调整与判断方法：

    （1）电主轴轴承预紧力过大，造成电主轴回转时摩擦过大，引起电主轴温度急剧升高。

    故障排除方法：可以通过重新调整电主轴轴承预紧力加以排除。

    （2）电主轴轴承研伤或损坏，也会造成电主轴回转时摩擦过大，引起电主轴温度急剧升高。

    故障排除方法：可以通过更换新轴承加以排除。

    （3）电主轴润滑油脏或有杂质，也会造成电主轴回转时阻力过大，引起电主轴温度升高。

    故障排除方法：通过清洗电主轴箱，重新换油加以排除。

    （4）电主轴轴承润滑油脂耗尽或润滑油脂过多，也会造成电主轴回转时阻力、摩擦过大，引起电主轴温度升高。

    故障排除方法：通过重新涂抹润滑脂加以排除。

    故障现象二：电主轴强力切削时停转。

    检查、调整与判断方法：

    （1）电主轴电动机与电主轴连接的传动带过松，造成电主轴传动转矩过小，强力切削时电主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。

    故障排除方法：通过重新调整电主轴传动带的张紧力，加以排除。

    （2）电主轴电动机与电主轴连接的传动带表面有油，造成电主轴传动时传动带打滑，强力切削时电主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。

    故障排除方法：通过用汽油或酒精清洗后擦干净加以排除。

    （3）电主轴电动机与电主轴连接的传动带使用过久而失效，造成电主轴电动机转矩无法传动，强力切削时电主轴转矩不足，产生报警，数控机床自动停机。

    故障排除方法：通过更换新的电主轴传动带加以排除。

    （4）电主轴传动机构中的离合器、联轴器连接、调整过松或磨损，造成电主轴电动机转矩传动误差过大，强力切削时电主轴振动强烈。产生报警，数控机床自动停机。

    故障排除方法：通过调整、更换离合器或联轴器加以排除。

    故障现象三：电主轴工作时噪声过大

    检查、调整与判断方法：

    （1）电主轴部件动平衡不良，使电主轴回转时振动过大，引起工作噪声。

    故障排除方法：需要机床生产厂家的专业人员对所有电主轴部件重新进行动平衡检查与调试。

    （2）电主轴传动齿轮磨损，使齿轮啮合间隙过大，电主轴回转时冲击振动过大，引起工作噪声。

    故障排除方法：需要机床生产厂家的专业人员对电主轴传动齿轮进行检查、维修或更换。

    （3）电主轴支承轴承拉毛或损坏，使电主轴回转间隙过大，回转时冲击、振动过大，引起工作噪声。

    故障排除方法：需要机床生产厂家的专业人员对轴承进行检查、维修或更换。

    （4）电主轴传动带松弛或磨损，使电主轴回转时摩擦过大，引起工作噪声。

    故障排除方法：通过调整或更换传动带加以排除。

    故障现象四：刀具无法夹紧。

    检查、调整与判断方法：

    （1）碟形弹簧位移量太小，使电主轴抓刀、夹紧装置无法到达正确位置，刀具无法夹紧。

    故障排除方法：通过调整碟形弹簧行程长度加以排除。

    （2）弹簧夹头损坏，使电主轴夹紧装置无法夹紧刀具。

    故障排除方法：通过更换新弹簧夹头加以排除。

    （3）碟形弹簧失效，使电主轴抓刀、夹紧装置无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧。

    故障排除方法：通过更换新碟形弹簧加以排除。

    （4）刀柄上拉钉过长，顶撞到电主轴抓刀、夹紧装置，使其无法运动到达正确位置，刀具无法夹紧。

    故障排除方法：通过调整或更换拉钉，并正确安装加以排除。

    故障现象五：刀具夹紧后不能松开

    检查、调整与判断方法：

    （1）松刀液压缸压力和行程不够。

    故障排除方法：通过调整液压力和行程开关位置加以排除。

    （2）碟形弹簧压合过紧，使电主轴夹紧装置无法完全运动到达正确位置，刀具无法松开。

    故障排除方法：通过调整碟形弹簧上的螺母，减小弹簧压合量加以排除。

    高速电主轴的高速运转离不开良好润滑的支撑，其中重要的就是轴承的润滑，列举了高速电主轴轴承软化的七点特点，希望可以帮助大家加深对润滑工作的理解。

    （1）球滚动体与套圈滚道之间的接触为赫兹空间点接触，由于球滚动体离心力的作用，外圈滚道上的接触载荷和接触应力往往很大，会产生较大的接触变形。

    （2）球滚动体与轴承内、外圈滚道之间的相对运动速度很大，不仅有滚动，而且还存在较大的滑动成分，转速越高，滑动越严重。高速时油膜厚度增加，油膜的拖动速度加大，导致阻尼和拖动力增大。

    （3）角接触球轴承在高速运行过程中，球滚动体除了沿套圈滚道方向的滚动和滑动之外，在绕内、外圈滚道接触点发现的方向还存在自旋运动，即绕接触点中心的旋转滑动，使接触区易产生湍流润滑和使润滑油膜呈现紊流现象，在发热量增加的同时，弹流润滑油膜的形成和状态也比较复杂。

    （4）轴承内部弹流油膜的高速拖动和多余润滑油在轴承内部的高速搅动，所消耗的能量会产生大量的热量，使轴承温度迅速升高、润滑油的粘度降低，导致润滑条件恶化。

    （5）球滚动体、保持器等高速运转的零件，在轴承内部及附近部位形成了一个高压区和高压气幕，外部润滑油难以进入轴承内部。

    （6）由于高速离心力的作用，润滑油易集中于外圈滚道内形成润滑油过量现象，而内圈滚道易因贫油而出现欠润滑状态。

    （7）由于电主轴的电机内装式结构，工作时电机定、转子因电、磁原因而产生大量的热量，工作温度很高，热量会直接传至轴承部位，对轴承的散热和降低温度不利。

    高速电主轴的精密设计要求其润滑保养的精细化操作，对于电主轴运作效率、寿命的延长、降低故障率都有帮助。