由青海一机数控机床有限责任公司（以下简称“青海一机”）承担的“高速立、卧式加工中心”课题，其关键科技攻关任务之一是研制接近国际先进水平的高速直驱主轴单元，掌握电动机与主轴的一体化、单元化技术，提升国产高速加工中心功能部件在国内外市场中的竞争力。

本课题通过采用日本发那科（FANUC）交流内装式直驱主轴单元中的定子和转子，并通过联合攻关，自制了主轴和相关零件及冷却润滑系统，逐步掌握了核心技术，实现了高速机床直驱主轴的国产化。

图1所示为本课题攻关研制的电主轴结构，它将电动机的转子直接作为机床主轴，主轴单元的壳体就是电机座，并配合其他安全保障措施，实现了电动机与机床主轴的一体化。电主轴结构的基本构成包括：电主轴单元、轴承及其润滑单元、主轴冷却单元以及自动松、拉刀装置等。

课题攻克的技术难点

本课题在实施过程中，主要攻克了以下技术难点：

1. 高速轴承技术

本课题自主研制的电主轴采用复合陶瓷轴承，在轴承配合公差、装配技术和预紧力大小等方面均采取了控制措施，不仅提高了工作的速度和精度，而且延长了轴承寿命。

2. 高速电动机技术

电主轴是电动机与主轴的集成产物，电动机的转子即为主轴的旋转部分。本课题对电主轴定子和转子的配合过盈量大小、预热温度大小及控制技术展开了研究，并获得了一定的经验。

3. 润滑技术

在高速电主轴润滑技术研究中，采用了定时定量的油气润滑方案。研究结果表明，油量控制非常重要：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。本课题通过对油气润滑流量大小进行调整试验，确定了主轴在15000r/min情况下的润滑油流量参数，为产品产业化生产提供了依据。

图1  电主轴结构

4. 冷却装置

在前后轴承处以及定子外部设计了循环冷却水套。水套用热阻较小的40Cr材料制造，套外环加工有螺旋水槽。当电动机主轴工作时，向水槽中通入循环冷却介质。为加强冷却效果，设有专门的制冷装置，以对介质入口温度进行冷却，严格控制该处温度随环境而发生变化，并确保一定的压力和流量。另外，为防止电动机发热影响主轴轴承，主轴采用了热阻较大的材料，使电动机转子的热量主要通过气隙传递给定子，然后由冷却水吸收带走。

5. 内置脉冲编码器技术

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

6. 主轴端气封技术

电主轴的前端采用气封方式，以防止灰尘和冷却液等进入主轴轴承。

动态监测技术研究及测试试验

动态监测技术研究及测试试验，主要测试内容包括振动、温度和回转精度等，同时，设计并制造了动态监测技术测试试验平台，如图2所示。

图2  动态监测技术测试试验平台

1. 振动检测与频谱分析

采用高灵敏度的加速度传感器以及比利时的多通道动态测试仪器，对主轴振动频谱进行监控和记录。监测中发现，电主轴单元在达到6000r/min左右时，振动明显增大，导致电主轴的运转精度降低。而在达到8000r/min左右时，振动明显减小，动态回转精度与静态回转精度相差不大。由此可见，在此转速下，电主轴前端振动加速度变化极小，主轴运转的动态精度高。

2. 温度连续监控

采用比利时多通道动态监测仪，选用高精度ptl00温度传感器作为数控机床主轴轴承温度的直接检测元件。通过对电主轴不同转速下电主轴轴承外圈温度的直接测量，寻找最佳温升条件下的冷却系统流量、油气润滑量及轴承预紧之间的相互匹配关系。结果发现：在转速达到12000r/min时，主轴温升在30℃左右，并且在运转约30min后，能达到热平衡状态；在13000～15000r/min时，主轴温度持续上升，运转30min后，温度继续上升，最高温度能达到50℃左右。此外，当主轴连续运行30min后，主轴锥孔中的温度与外圈温度传感器直接测定的温度相差约2～3℃，这就为今后采用间接法测量主轴温升提供了参考依据，因为通常情况下，无法在主机上直接测量主轴温升。

3. 回转精度动态监测技术

采用比利时的动态测试仪以及所订购的软件进行系统回转精度测量试验，制定了执行系统主轴回转误差测量的试验方案，对课题研制的电主轴回转精度进行了主轴回转误差的测量，并对测量结果进行了详细分析。回转误差包括轴向移动误差和径向回转误差。对误差的测量，只需制作专用的测量工装，并在主轴轴端插入检验棒进行拉紧，以及在检验棒径向安置两个电涡流微位移传感器。为了确定主轴回转误差的相位，微位移传感器位相对90˚位置安置，然后轴向安装一个微位移传感器，以进行三维位移量的测量。首先进行静态测量，然后进行不同转速下的动态测量，直到最高转速为止。接着对各种转速下的动态回转精度数据进行统计处理，以对主轴动态精度进行评价。

存在的问题与对策

试验中发现，装有陶瓷球轴承的加工中心电主轴，在较低转速时，普遍存在运转初期(低速时)刚度差、精度低的问题。

经分析认为，这主要由轴承间隙和工作预紧力的变化影响所致。低速时，预紧力大，轴承间隙小，刚度高；高速时，轴承内部因高速运转产生较大负荷，两者叠加，使轴承高速时实际预紧力远超过初期预紧力，导致轴承温升高，使用寿命低，易出现早期烧结损伤。因此，为延长轴承寿命，要求陶瓷球轴承的初期预紧力要小一些。但初期预紧力过小，主轴启动时，陶瓷球轴承间隙大，导致运转时的变形大、刚度差，从而使电主轴振动加大，严重影响电主轴的加工精度。 解决方案是，有必要对轴承预紧力可变换机构做进一步的研究和开发。低速时，陶瓷球轴承预紧力大，但随着转速的提高，轴承预紧力逐渐变小，从而使陶瓷球轴承始终处于良好的运动状态。主要措施有两种：一是采用不同转速下的预紧力可调技术；二是重视运转精度，低速时，实施定位置预紧；高速时，采用预紧力可变换机构。

研究成果应用情况

该高速电主轴技术试制成功后，青海一机将其用于HMC80系列产品（含HMC63、HMC80和HMC100S）中。目前，该系列产品已累计销售36台，新增产值6250万元，新增利润500万元。此外，间接出口了一台HMC100S高速加工中心，销售额200万元（折合约30万美元）。