电主轴的应用现状与发展方向探析

　　0　引言
　　采用高速加工技术能解决机械产品加工中的许多难题，能取得较高的加工精度及表面质量，因此该技术在装备制造业中得到越来越广泛的应用，已逐渐成为当今金属切削加工的主流技术。数控机床电主轴单元是高速切削技术的重要支撑，是高精、高效数控机床的核心功能部件，是精密模具、精密机械、汽车、船舶、航空航天等尖端产品制造领域所需高档加工机床的核心部件。电主轴系统作为数控机床的三大高新技术之一，应用范围越来越广，在高速、高精、高效、智能化数控机床及并联机床、复合加工机床、多面体加工、多轴联动等方面有着机械主轴无法替代的作用。电主轴的性能、水平和质量在很大程度上决定了整机的性能、水平和质量。
　　1　电主轴的特点
　　电主轴其实是电主轴系统，它将机床主轴和主轴电机融为一体，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。电主轴由内装式电机直接驱动，可满足高速切削对机床“高精度、高速度、高可靠性”的要求，与高速进给系统、高速刀具系统共同组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、交流伺服控制、闭环矢量控制等技术相结合，可满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金切加工的需要。
　　电主轴对数控机床的发展起着相当重要的作用，主要表现在以下4个方面：
　　（1）简化机床结构，有利于模块化。电主轴可以根据机床用途、性能参数、结构等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。
　　（2）缩短研制周期，降低机床成本。标准化、系列化的电主轴产品可进行成规模的专业化生产，有助于缩短机床研制周期，以适应数控机床行业快速多变的市场需求。
　　（3）改善机床性能，提高可靠性。采用电主轴的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此机床的可靠性得到提高；技术成熟、功能完善、性能优良、质量可靠的电主轴功能部件使机床的性能更加完善，可靠性得以进一步提升。
　　（4）实现高档数控机床的特殊要求。有些高档数控机床，如并联运动机床、五面体加工中心、小孔和微孔加工机床等，必须采用电主轴，才能满足其各种不同的功能要求。
　　2　电主轴的应用现状
　　电主轴Z早应用于内圆磨床，在20世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，电主轴技术开始逐渐应用于数控铣床、加工中心等高档数控机床，电主轴技术的应用成为机床技术发展的重要里程碑。随着数控机床技术和高速切削技术的发展，对数控机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求。
　　电主轴产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离心、高速旋碾、高速试验等领域。总之，在需要高速旋转的地方都能用到电主轴。
　　多年来，国内电主轴领域相关技术人员一直在坚持不懈地努力攻克技术难关，开发出一系列用于内表面磨削的电主轴，转速从3000～240000r/min，功率从0.2～20kW。目前，国产电主轴已经大量装备了我国全自动轴承内表面磨床，使零件内表面磨削线速度由35m/s提升到75m/s，大大提高了生产效率，降低了产品成本，使我国成为普通轴承和汽车零部件的生产大国。
　　电主轴还广泛用于小型模具加工和印制电路板加工。电主轴与数控铣、雕刻机、切割机及并联机床配套，进行高速铣削和雕刻加工，适用于常规零件、工模具、木工件的加工。特别适用于印制电路板（PCB）、油泵油嘴等行业的小孔进行高速钻削、铣削，能够钻削印刷电路板0.05～0.7mm小孔和铣削2～6mm长槽，以满足小孔和微孔的加工需要。目前，国内钻、铣电主轴Z高转速已达到200000r/min。由于国产电主轴价格便宜、维护方便且维护费用低，在小型模具加工和印制电路板加工方面已广泛替代进口，大量装备国内机床，促进了中国电路板制造业的发展。
　　在高速离心机行业，电主轴广泛地用于离心分离、离心粉碎、离心雾化、离心干燥、离心试验等领域。高速电主轴不仅能大大提高离心速度，增强离心效果，还可提高离心物体的细化度和分离精度，以及离心效率，广泛用于化工行业和食品加工行业。
　　高速电主轴替代电动机和精密齿轮增速器组成的高速动力源拖带试验机是高速电主轴的又一大用途。无论在民用还是军用领域，高速电主轴都已广泛用于高速深冷液氢轴承试验机、高速高温燃汽轮机点火装置试验机、高速卡盘试验机以及石油行业的高速密封件试验机。
　　3　我国电主轴发展面临的问题
　　我国高速电主轴的开发和生产已有50多年，国产电主轴在数控机床上的应用相当广泛，但国内高档的高速加工中心电主轴多为进口产品。我国开发生产的加工中心电主轴同国外高速电主轴先进制造厂商相比仍存在相当大的差距，开发设计和生产都需要进一步的发展，目前的差距主要表现在以下几个方面：
　　3.1 技术实力较弱，创新能力严重不足，电主轴关键核心部件不过关
　　国外数控机床主轴公司一般只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件如主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、润滑油品等全部市场采购，在分工与合作上具有较强的组织性和互补性。由于分工细致，可各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，因此国外公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，从而带动了国外电主轴行业的整体技术进步。而国内电主轴厂商，技术资源分散，除以洛阳轴研科技为首的几个厂家拥有一定的综合研发实力外，其他的企业多以同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。
　　3.2 在产品性能以及相关配套技术上均存在差距
　　国外高档数控机床用电主轴Z大扭矩可以做到310N•m，Z高转速14万r/min，国内电主轴Z大扭矩只能做到200N•m，Z高转速只有5万r/min。国产电主轴设计保守，同体积出功率只为国外产品的70%。同时，与电主轴相配套的技术，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、高速精密轴承技术、停机角向准确定位技术、C轴传动技术、快速启停技术、HSK刀柄技术、主轴智能监控技术等，国内仍不成熟。
　　3.3 制造规模小，产业化程度低
　　尽管国内已经有不少企业在从事电主轴的研究和制造，但对于数控机床用高速电主轴，仍然处于小批量生产和研究阶段，远没有形成专业化、系列化和规模化生产。2009年，我国共生产32560套电主轴部件，其中只有12724套用于各类数控机床。
　　要解决上述问题，需要多方面共同努力。各电主轴厂家可与高校、科研院所合作，通过“产、学、研”结合，继续加强电主轴关键技术研究；同时政府要加大政策扶持力度。如加大科技投入，加大技改资金支持，加大鼓励电主轴国产化的政策支持，电主轴生产企业享受数控机床主机的税收优惠等。
　　4　电主轴的发展方向
　　随着机床技术、高速切削技术的发展和实际应用的需要，对机床电主轴的性能也提出了越来越高的要求。电主轴将继续向以下方面发展：
　　（1）追求更高的速度和强度；
　　（2）同时满足高速大功率和低速大转矩；
　　（3）使精度和可靠性更高，使用寿命更长；
　　（4）轴承、润滑方式将更加多样化；
　　（5）功能更加多样，系统更加智能。
　　参考文献
　　[1]欧益宝，等.高速加工技术与电主轴.现代制造工程，2006（10）
　　[2]储开宇.数控高速电主轴技术及其发展趋势.机床与液压.2006（10）
　　[3]徐同申.内装式电主轴在国内外机床行业中的发展.金属加工，2010（6）
　　[4]中国机械工业年鉴编辑委员会，中国机床工具工业协会.中国机床工具工业年鉴.北京：机械工业出版社，2010