电主轴：一种在数控机床领域广泛应用的先进技术 - 广州轴承制造技术展

电主轴在数控机床领域的应用日益普及，已成为一种不可或缺的先进技术。随着科技的进步和工业的发展，电主轴在国内的使用已经越来越广泛，展现出广阔的市场前景和应用潜力。

在20世纪60年代，我国电主轴行业尚处于起步阶段，主要致力于仿制欧美及前苏联的样机。当时，国内以洛阳轴承研究所为核心，结合哈、瓦、洛三大轴承厂以及上海微型轴承厂的力量，共同致力于电主轴的开发与试制。

20世纪70年代，我国迎来了电主轴行业的重大突破，第一代自行设计、自行开发的磨床用电主轴——DZ系列应运而生。进入80年代，高速、大功率的电主轴如GDZ系列和4SD系列相继问世，进一步丰富了我国电主轴产品的多样性。在这一时期，洛阳轴承研究所凭借其技术优势，逐渐确立了行业领先地位，同时，无锡机床厂和安阳莱必泰也成为了以配套机床为主的专业电主轴生产厂，三足鼎立，共同推动着我国电主轴行业的发展。

20世纪90年代，洛阳轴承研究所进一步突破，推出了2GDZ系列超大功率、超高刚度的磨床用电主轴。同时，无锡机床厂也发布了5SD系列磨床用电主轴，进一步拓展了市场。近年来，随着油气技术、恒温冷却技术以及陶瓷球轴承等新技术的不断涌现，电主轴的技术水平得到了显著提升。

当前，电主轴行业正朝着更高的超高速、高精度方向发展。空气电主轴和磁悬浮电主轴等技术成为了研究的热点。目前，国内电主轴产品已广泛应用于内外表面磨削、高速数控铣削、高速雕铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车削、高速离心、高速旋碾以及高速试验等多个领域。

1、电主轴的定义

电主轴是数控机床领域的一项创新技术，它将机床主轴与主轴电机整合为一体。在高速数控机床中，传统的带轮传动和齿轮传动被摒弃，取而代之的是内装式电动机直接驱动机床主轴，从而实现了“零传动”的概念。这种创新的传动结构使得主轴电动机与机床主轴能够“合二为一”，从而相对独立地构成“主轴单元”，即我们常说的“电主轴”。

电主轴在英语中有多个名称，例如Electric-spindle、Electro-spindle、Motor Spindle和Motorized Spindle等。由于它通常采用交流高频电动机作为动力源，因此也被称作“高频主轴”（High Frequency Spindle）。由于其省去了中间传动环节，有时又被直接称为“直接传动主轴”（Direct Drive Spindle）。此外，由于电动机被安装在主轴内部，它又被命名为“内装式电动机主轴”（Build-in Motor Spindle）。

2、电主轴的基本构成

高速电主轴涵盖了诸多机械部件，包括动力源（电动机转子和定子）、主轴（转轴）、前后轴承、冷却套、主轴单元外壳，以及各种连接装置和刀具接口。其特点在于电动机内置，且转子与主轴一体设计，通过过盈配合热装在主轴上。主轴由前后轴承稳固支撑，利用压配合产生的摩擦力传递大转矩。此外，还巧妙地取消了主轴上的键联接和螺纹联接，确保主轴运转部分的动平衡高度精确。电动机定子被压装在冷却套内，再一同固装在电主轴的壳体内，使得电动机转子能直接作为机床主轴使用，而主轴单元的外壳体则兼任电动机机座的角色。

在电主轴的后端，测速和测角位移传感器（旋转编码器）被精心安装，以实现电动机的全闭环控制。主轴前端的外伸部分设有内锥孔和端面，专为安装和固定可换刀柄而设计。同时，电源接口便于与驱动器进行电气连接。通电后，转子能直接驱动主轴旋转，而主轴的转速则通过电动机的变频调速与矢量控制装置进行灵活调整。

3、电主轴的发展趋势

电主轴的整体发展趋势可以概括为：追求大功率、高转速以及高主轴回转精度。

在功率方面，电主轴正朝着高速大功率、低速大扭矩的方向演变。这主要是为了满足数控机床在低速粗加工时的重切削需求，以及在高速切削时的精加工要求。因此，电主轴不仅需要具备低速大扭矩的特性，还要拥有高速大功率的性能。

转速方面，电主轴仍在不断追求更高的速度与刚性。随着电主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术以及精密动平衡技术的持续进步，数控机床电主轴的高速化已成为行业发展的主流趋势。轴承及其润滑技术的革新，使得电主轴的系统刚度日益增强，从而满足了数控机床高速、高效和精密加工的迫切需求。

此外，电主轴还在向高精度、高可靠性和长寿命的方向迈进。终端用户对数控机床精度和可靠性的要求日益提升，这也相应地提高了对电主轴精度与可靠性的要求。通过采用特殊的精密轴承、先进的润滑方法以及独特的预负荷施加方式，电主轴的寿命得到了有效延长，其使用可靠性亦不断提高。

4、电主轴在机床中的核心地位

机床，作为装备制造业的基石，其主轴的旋转动力源自电机。传统机床通常采用异步电机，通过皮带轮驱动齿轮箱的输入轴，再经齿轮箱齿轮的变换来实现主轴的调速。然而，随着高精密机床的发展，电主轴逐渐成为其核心功能部件。电机转子直接安装刀具，摒弃了传统的皮带轮和齿轮箱传动，直接带动刀具或工件高速旋转，从而实现高效精密加工。因此，电主轴的性能对机床的加工效率和加工质量产生直接影响，堪称机床性能的关键因素。

5、电主轴的选择要点

在选择电主轴时，首要任务是明确其应用场所，因为不同的应用场合会有不同的接口需求。同时，必须了解工况的功率要求，以确保所选电主轴能够满足相应的转速需求。此外，刀具的接口也是选择电主轴时需要考虑的重要因素，因为固定接口转速通常只能在指定的电主轴上使用。若需要更高转速的电主轴，应选择相应的等高速刀具接口。另外，数控铣削电主轴上配用的弹簧夹头也有其许用最高转速的限制。

对于磨削用电主轴，它们通常采用横扭矩设计的电机。这类电机的最高转速、功率和电压之间存在等比关系，即电压和功率会随电主轴转速的增加而线性增加，同时电流保持基本恒定。由于转矩和电流呈线性关系，因此这种制式的电主轴被称为恒转矩制电机。