分享—电主轴与高速加工技术

Ryo.Zhang

电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。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、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
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　电主轴所融合的技术：高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限：
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2 w5 ~! `3 {8 R' A. Z5 Q$ Q5 E4 V, u　　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；

+ g; R8 C! i% c% ]4 f　　润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。

　　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。

8 g+ {  ~& a( C- t5 M# p% `　　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。

; v) [- t) u& Q　　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。
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　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。

电主轴
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$ D* ]) Y/ D' H是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。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、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置。
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　　电主轴所融合的技术：高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限；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；润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油。所谓定量，就是通过一个叫定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的油量。而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
. w3 d# _$ ^0 t( t- a0 C2 _4 y, X　　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。

  z& M" |. K0 Y　　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。

Ryo.Zhang

URS IBAG 电主轴新样本简介
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电主轴与高速加工技术
! t& y/ s+ k% x  一、高速加工技术

1 \# X7 |0 l( x2 w3 \1 p高速加工技术（HSC）能使我们以尽量短的时间加工出质量合格的零件，提高一个企业的市场反应能力。下面几个行业极大推动了高速加工技术的发展。首先是电子行业，例如计算机、移动通讯、CD播放机、随身听等，这些大批量产品在市场上竞争激烈，生产商必须不断推出新产品，而且所要求的更新换代时间也越来越短。因此快速模具制造就变得载来越重要，模具制造商就用HSC技术来更快地加工紫铜或石墨电极，大大提高了交货的周期。同时高速切削在另两个领域也得到了广泛的应用，那就是航空与高速机车行业。飞机的骨架与机翼、高速机车的车厢骨架都需要切除大量的金属，从毛坯开始的切除量甚至达到90%，漫长的加工时间使经营者难以忍受，所以这两个行业欣然接受了高速切削这项新技术，使得加工时间缩短到了原来的几分之一。

+ y3 z/ Y+ I8 E采用电主轴的高速加工技术是目前机床行业非常热门的一个话题，但对于还不太熟悉这个领域的我国的用户来说，高速加工到底是什么，有什么优势呢？这里我们用表1最简单有了的数据让大家对高速加工有个概念性的了解，然后我们再介绍一些电主轴方面的知识，以及在电主轴方面技术领先的瑞士IBAG公司的产品特色，以便让大家了解目前电主轴的最新技术与发展趋势。
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高速加工的几个优势：
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9 e9 T- y. j; s- A$ B' h8 Y加工时间大幅度缩短，只有原来的约1/4，这意味着一台HSC高速机床可以代替4台普通CNC机床；

加工表面质量很高，不用再进行比如打磨等表面处理工序；
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零件重复性好，这很利于模具行业电极的制造；

零件变形小，基本不产生热量，可以加工很薄的零件；

高速机床的投资可以很快收回，可以缩短交货期，减小车间占地面积，减少工人数量。
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9 T( u* e0 M# m2 x% c1 E高速加工采用小直径刀具、小切深、小切宽、快速多次走刀来提高效率，而传统的加工一般采用大直径刀具、大切深、大切宽；高速加工的切削力大幅度减小，需要的主轴扭矩相应减小。

* S: ^, H, Q! Y0 i$ [$ Z0 G- V高速加工不仅仅用于加工一些比较软的材料如铝、铜、塑料等，现在已经可以用于加工硬度在60HRC以上的淬硬钢，这要归功于刀具商开发出了像TiA1N这样的新的刀具涂层，以及像CBN这样的新的刀具材料，目前加工淬硬钢的线速度也达到了500m/min，使钢材料的加工也开始采用高速切削。模具制造商因此也越来越多地采用高速加工技术来加工三维的钢零件。
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二、电主轴知识简介

; r4 q- x5 n; o( T* h电主轴是最近几年在数控机床领域出现的将机床主轴与主轴电机融为一体的新技术，它与直线电机技术、高速刀具技术一起，将会把高速加工推向一个新时代。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、油雾润滑器、冷却装置、内置编码器、换刀装置等。
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电主轴所融合的技术：

高速轴承技术：电主轴通常采用复合陶瓷轴承，耐磨耐热，寿命是传统轴承的几倍；有时也采用电磁悬浮轴承，或静压轴承，内外圈不接触，理论上寿命无限长。
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高速电机技术：电主轴是电机与主轴融合在一起的产物，电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机，其关键技术是高速度下的动平衡。

3 M6 @$ C4 q6 s7 s; y1 t润滑：电主轴的润滑一般采用定时定量油气润滑；也可以采用脂润滑，但相应的速度要打折扣。
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所谓定时，就是每隔一定的时间间隔注一次油，所谓定量，就是通过一个叫做定量阀的器件，精确地控制每次润滑油的注油量。

而油气润滑，指的是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。油量控制很重要，太少，起不到润滑作用；太多，在轴承高速旋转时会因油的阻力而发热。
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0 V" U2 C5 i% v% t4 S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。
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: s. }/ u: v2 o内置脉冲编码器：为了实现自动换刀以及刚性攻丝，电主轴内置一脉冲编码器，以实现准确的相位控制以及与进给的配合。

; Z0 O7 |3 Q5 s  B- F. X- a3 A' Z自动换刀装置：为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括碟形簧、拉刀油缸。
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) |# M8 g3 @0 G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等高速刀柄。
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2 H0 r) K. U) Z2 D' P' z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，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电机，变频器的输出频率甚至需要达到几千Hz。

三、电主轴产品的最新技术与发展趋势
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% e* G5 F9 M2 J. |* [7 [0 u# v瑞士IBAG公司在电主轴行业技术领先，公司成立于1941年，生产慢慢主轴已经有30年的历史了。现在就以这个公司的产品为例，让大家了解一下电主轴的最新技术与发展趋势。
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% }0 @3 P- c! `4 O5 o电主轴最早是用在磨床上，后来才发展到加工中心。瑞士强大的精密机械工业（例如的表工业）不断提出要求，早在20年前高速切削就在瑞士变是越来直流行，使电主轴的功率和品质都不断得到提高。IBAG公司提供几乎任何转速、扭矩、功率、尺寸的电主轴，产品范围很宽，其电主轴最大转速可达140000r/min，直径范围33~300mm，功率范围125W~80kW，扭矩范围0.02~300Nm。用户可能提出自己希望的功率、扭矩曲线，还可以为用户做特殊的机械结构。

IBAG电主轴特色

" W  F. ^/ l  w  ~  V6 }IBAG提供全套的电主轴系统，包括：电主轴、矢量变频驱动、油气润滑装置、冷却装置、管路、电缆、刀具等。

IBAG电主轴产品种为非常齐全，共有15类60几个型号的电主轴产品。无论用户要求的是高速度、大扭矩还是大功率，IBAG的产品总有一款能满足您的要求。目前为止，IBAG电主轴的最高速度是140000r/min，最大额定扭矩是300Nm，最大功率80kW。
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) H. b* u9 a) [" O6 K$ d1 d轴承：IBAG电主轴采用复合陶瓷轴承、静压轴承，及电磁轴承，根据用户要求，也可以采用钢轴承。可以通过液压压力来改变轴承的预紧力，以适应不同的切削状态。

; s' Z( y3 D- d$ K  [润滑：IBAG轴承的润滑方式有油气润滑和脂润滑两种方式，用户可以任选其一。IBAG的直接润滑技术，让润滑油通过轴承外圈上的小孔直接达到滚珠，这种润滑方式可以使相同规格的轴承工作在更高的极限转速，而且消耗的润滑油量更少。
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* D# u' i  x( f8 A* t1 T2 Z1 R6 j气封：电主轴的前端采用气封，保证灰尘、冷却液等不进入主轴轴承。
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# f6 \1 _- O5 y; t主轴轴向尺寸动态补偿：在位置精度要求极高的情况下，IBAG可以在电主轴上提供一检测元件来检测电主轴的同向尺寸变化，尺寸的变化量被转化1V/10μm的模拟信号，送到数控系统进行动态的尺寸闭环补偿。
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刀机接口：IBAG提供HSK、SKI、CAPTO、BT刀具接口，用户可以任选一种。
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4 z! S: p& Y4 D/ a, }主轴中心冷却：IBAG提供主轴中心冷却选项，30000r/min之内都可以采用刀具内冷，冷却液压力可达80bar（8MPa）。
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, d1 o( y8 L/ [# {抓刀方式：IBAG电主轴采用液压抓刀，采用机床本身的液压系统即可；若机床没有液压系统，IBAG提供的气液转换装置可以将压缩空气的压力转换为液压压力送到主轴。

& x. i) Y. J- k2 e; V与数控系统的接口：IBAG电主轴系统既提供数字接口，也提供模拟接口，与任何数控系统匹配都没有问题。内置编码器输出正弦脉冲。
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2 m+ c. f% S! K) q/ k! W5 ?主轴驱动：IBAG提供性能优异的主轴矢量驱动装置，但考虑用户的方便，也可选择Siemens，Fanuc，Indramat或是其它品牌的主轴驱动装置。

现在的机械加工工艺要求的主轴转速越来越高，高转速也越来越成为衡量一个产品水平的标志，成为商家竞争的焦点，谁先采用了更高转速的主轴，谁便在激烈的竞争中拥有了一张硬牌。趋势就是：以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴，电主轴将会像直线导轨一样成为机床标准部件。我国济南二机床集团有限公司、常州多棱数控机床股份有限公司、宁江机床（集团）股份有限公司、秦川机床集团有限公司、东风设备制造厂、湖南大学海捷制造公司、东莞科挺自动化公司、昆山G01模具工具制造公司等都已在其产品上采用了IBAG公司的电主轴，其中有些产品将在CIMT2003展出