数控机床用高速电主轴技术的现状与发展趋势

　　摘　要；本文在总结数控机床用高速电主轴特点的基础上，介绍了国内外电主轴技术的现状和发展趋势，分析了我国电主轴技术与国外先进水平之间的差距，并提出了发展我国数控机床用电主轴技术的相应对策。
　　关键词：电主轴；数控机床；高速切削
　　电主轴是“高频电机主轴单元”的简称，又称“内装式电机主轴单元”、“内装式电机主轴”。其主要特点是将主轴电机内置于机床主轴单元内部直接驱动主轴，实现电机、主轴一体化的功能（见图）。 　　1　电主轴的优点
　　传统机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置（如皮带、齿轮、联轴节等）驱动主轴旋转而工作的，这样的主轴形式称为分离式和直联式主轴（通称机械主轴）。与此相比，电主轴具有以下优点：
　　（1）主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。
　　（2）利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。
　　（3）利用内装电机的闭环矢量控制、伺服控制技术，不仅可以满足机床低速重切削时大转矩、高速精加工时大功率的要求，还可以实现停机角向准确定位（即准停）及C轴传动的功能，适应要求有准停和C轴功能的加工中心、数控车床及其它数控机床的需要。
　　（4）与其它形式的主轴相比，电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定性更好，可以满足数控机床进行高速切削和精密加工的需要。
　　（5）由于没有中间传动环节，电主轴工作时运行更加平稳，没有外来冲击，主轴轴承承受的动负荷较小，延长了其精度寿命。 
　　（6）由于实现了电机和主轴的一体化、单元化，使电主轴能够由制造商进行系列化、规模化和专业化生产，电主轴以商品的形式进入市场，成为专门的数控机床功能部件之一，以供主机选用，促进了机床模块化和其它技术的发展。
　　2　高速电主轴对现代数控机床发展和金属切削技术的影响
　　（1）促进了高速切削技术与机床的发展
　　电主轴系由内装式电机直接驱动，更容易满足高速切削对机床“高速度、高精度、高可靠性及小振动”的要求，与机床高速进给系统、高速刀具系统一起组成高速切削所需要的必备条件。电主轴技术与电机变频、闭环矢量控制、交流伺服控制等技术相结合，可以满足车削、铣削、镗削、钻削、磨削等金属切削加工的需要。
　　（2）简化结构，促进机床结构模块化
　　电主轴可以根据用途、结构、性能参数等特征形成标准化、系列化产品，供主机选用，从而促进机床结构模块化。
　　（3）降低机床成本，缩短机床研制周期
　　一方面，标准化、系列化的电主轴产品易于形成专业化、规模化生产，实现功能部件的低成本制造；另一方面，采用电主轴后，机床结构的简单化和模块化，也有利于降低机床成本。此外，还可以缩短机床研制周期，适应目前快速多变的市场趋势。
　　（4）改善机床性能，提高可靠性
　　采用电主轴结构的数控机床，由于结构简化，传动、连接环节减少，因此提高了机床的可靠性；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高。
　　（5）实现某些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、小孔和超小孔加工机床等，必须采用电主轴，方能满足完善的功能要求。
　　3　国外电主轴技术的发展趋势
　　国外电主轴Z早用于内圆磨床，上世纪80年代，随着数控机床和高速切削技术的发展和需要，逐渐将电主轴技术应用于加工中心、数控铣床等高档数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。目前，采用电主轴技术的数控机床越来越多。电主轴已经成为现代数控机床Z热门的主要功能部件之一 ，世界上形成许多著名的机床电主轴功能部件专业制造商，它们生产的电主轴功能部件已经系列化，如瑞士的FISCHER，Step-Tec和IBAG，德国的GMN和CYTEC，意大利的CAMFIOR和OMLAT，等等。
　　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，电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：
　　（1）继续向高速度、高刚度方向发展
　　由于高速切削和实际应用的需要，随着主轴轴承及其润滑技术、精密加工技术、精密动平衡技术、高速刀具及其接口技术等相关技术的发展，数控机床用电主轴高速化已成为目前发展的普遍趋势，如钻、铣用电主轴，瑞士IBAG的HF42的转速达到140000r/min，日本SEIKO SEIKI更是达到了260000r/min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHERZ高转速达到42000r/min，意大利CAMFIOR达到了 75000r/min。在电主轴的系统刚度方面，由于轴承及其润滑技术的发展，电主轴的系统刚度越来越大，满足了数控机床高速、高效和精密加工发展的需要。
　　（2）向高速大功率、低速大转矩方向发展
　　根据实际使用的需要，多数数控机床需要同时能够满足低速粗加工时的重切削、高速切削时精加工的要求，因此，机床电主轴应该具备低速大转矩、高速大功率的性能。如意大利CAMFIOR、瑞士Step-Tec、德国GMN等制造商生产的加工中心用电主轴，低速段输 出转矩到200Nm以上的已经不是难事，德国CYTEC的数控铣床和车床用电主轴的Z大扭矩更是达到了630Nm；在高速段大功率方面， 一般在10～50kW；CYTEC电主轴的Z大输出功率为50kW；瑞士Step-Tec电主轴的Z大功率更是达到65kW（S1），用于航空器制造和模具加工；更有电主轴功率达到80kW的报道。
　　（3）进一步向高精度、高可靠性和延长工作寿命方向发展
　　用户对数控机床的精度和使用可靠性提出了越来越高的要求，作为数控机床核心功能部件之一的电主轴，要求其本身的精度和可靠性随之越来越高。如主轴径向跳动在0.001mm以内、轴向定位精度<0.0005mm以下。同时，由于采用了特殊的精密主轴轴承、先进的润滑方法以及特殊的预负荷施加方式，电主轴的寿命相应得到了延长，其使用可靠性越来越高。Step-Tec的电主轴还加装了加速度传感器，降低轴承振动加速度水平，为了监视和限制轴承上的振动，安装了振动监测模块，以延长电主轴工作寿命。
　　（4）电主轴内装电机性能和形式多样化
　　为满足实际应用的需要，电主轴电机的性能得到了改善，如瑞士FISCHE R主轴电机输出的恒转矩高转速与恒功率高转速之比（即恒功率调速范围）达到了1：14。此外，出现了永磁同步电机电主轴，与相同功率的异步电机电主轴相比，同步电机电主轴的外形尺寸小，有利于提高功率密度，实现小尺寸、大功率。
　　（5）向快速启、停方向发展
　　为缩短辅助时间，提高效率，要求数控机床电主轴的启、停时间越短越好，因此需要很高的启动和停机加（减）速度。目前，国外机床电主轴的启、停加速度可达到1g以上，全速启、停时间在1s以内。
　　（6）轴承及其预载荷施加方式、润滑方式多样化
　　除了常规的钢制滚动轴承外，近年来陶瓷球混合轴承越来越得到广泛的应用，润滑方式有油脂、油雾、油气等，尤其是油气润滑方法（又称Oil+air），由于具有适应高速、环保节能的特点，得到越来越广泛的推广和应用；滚动轴承的预负荷施加方式除了刚性预负荷（又称定位预负荷）、弹性预负荷（又称定压预负荷）之外，又发展了一种智能预负荷方式，即利用液压油缸对轴承施加预负荷，并且可以根据主轴的转速、负载等具体工况控制预负荷的大小，使轴承的支承性能更加优良。在非接触形式轴承支承的电主轴方面，如磁浮轴承、气浮轴承电主轴（瑞士IBAG等）、液浮轴承电主轴（美国Ingersoll等）等已经有系列商品供应市场。
　　（7）刀具接12逐步趋于HSK刀柄技术
　　机床主轴高速化后，由于离心力作用，传统的CAT（7：24）刀柄结构已经不能满足使用要求，需要采用HSK（1：10）等其它符合高速要求的刀柄接口形式。HSK刀柄具有突出的静态和动态联接刚性、大的传递扭矩能力、高的刀具重复定位精度和联接可靠性，特别适合在高速、高精度情况下使用。因此，HSK刀柄接口已经广泛为高速电主轴所采用（如瑞士的IBAG、德国的CYTEC、意大利CAMFIOR等）。
　　（8）多功能、智能化方向发展
　　在多功能方面，有角向停机精确定位（准停）、C轴传动、换刀中空吹气、中空通冷却液、轴端气体密封、低速转矩放大、轴向定位精密补偿、换刀自动动平衡技术等。在智能化方面，主要表现在各种安全保护和故障监测诊断措施，如换刀联锁保护、轴承温度监控、电机过载和过热保护、松刀时轴承卸荷保护、主轴振动信号监测和故障异常诊断、轴向位置变化自动补偿、砂轮修整过程信号监
测和自动控制、刀具磨损和损坏信号监控等，如Step-Tec电主轴安装有诊断模块，维修人员可通过红外接口读取数据，识别过载，统计电主轴工作寿命。
　　4　我国电主轴技术的现状及与国外的差距
　　4.1 我国电主轴技术的现状
　　随着高速切削逐渐成为现代金属切削的发展趋势，国家“九五”、“十五”期间，将数控机床用高速、大功率、高性能的电主轴列为重点科技攻关项目之一，研究开发出用于加工中心和数控铣床的高速电主轴，内装式电机的功率2.5～29kW，转矩4～86Nm，并装备了国产数控机床，在数控机床用高速电主轴的开发和应用方面取得了重大突破；国内一些机床主机厂也在引进国外电机配件和驱动器的基础上研制出加工中心等数控机床用高速电主轴。但是，无论从产品的技术水平、性能指标，还是产品的种类、数量、生产规模，都与国外先进水平相比有着很大差距，远远不能满足日益发展的国内市场需要。
　　4.2 与先进水平之间的差距
　　（1）在电主轴的低速大转矩方面，国外产品低速段的输出转矩可以达到300Nm以上，有的更是高达600多Nm（如德国的CYTEC），而国内目前则多在100Nm以内。
　　（2）在高速方面，国外用于加工中心电主轴的转速已经达到75000r/min（意大利CAMFIOR），而我国则多在20000r/min以下。其它用途的电主轴，国外已经达到了260000r/min（日本SEIKO SEIKI），而我国电主轴的Z高转速为150000r/min。
　　（3）在电主轴的润滑方面，国外高速电主轴轴承已经普遍采用先进的油气润滑技术，而我国则仍然以油脂润滑和油雾润滑为主。 
　　（4）在电主轴的功能和性能方面，国外已经在发展多功能、高性能的数控机床用电主轴产品，而我国仍然以常规产品为主要发展方向。
　　（5）在电主轴的支承技术方面，国外已经有动、静压液（气）浮轴承电主轴（瑞士IBAG等）、磁浮轴承电主轴（瑞士IBAG）的成熟商品，在我国则仍然处于科学研究、试验和技术开发阶段。
　　（6）在其它与电主轴相关配套技术方面，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位（准停）技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟，或不能满足实际应用需要。
　　（7）在产品的品种、数量及制造规模方面，尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但仍然以磨床用电主轴为主，对于数控机床用高速电主轴，则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产，还无法与国外先进水平相比，远远不能满足国内市场日益增长的需要，还不具备与国外产品相抗衡的能力。
　　5　发展我国数控机床用电主轴技术的对策初探
　　发展我国数控机床用电主轴技术，应该采取相应的措施和对策：
　　（1）相应的国家政策引导。国家应制定优先发展和重点发展的相应政策和规划，特别是重点支持影响和制约高档数控机床发展包括电主轴在内的关键技术和关键功能部件的发展。
　　（2）发展数控机床用电主轴技术应与其它机床关键功能部件技术一样，应与数控机床整体技术发展规划相联系，重视行业规划和行业整合，制定行业规范和行业标准，并组织推广应用；持续组织重点科技联合攻关，指导和推动数控机床电主轴技术的发展。
　　（3）应该在国家政策和行业规划指导下，推动整个行业数控机床关键功能部件的资源的整合、优化和重组配置，鼓励和支持产学研结合、功能部件制造商和主机厂相结合，鼓励和引导形成若干个产品系列化、生产规模化、业务专业化的数控机床用高速电主轴功能部件专业制造商，使之在产品的种类、档次、数量、可靠性和技术水平、生产规模、综合服务等方面能够初步满足国内市场发展的需求，并且能够与国外先进产品相抗衡，Z终能够形成出口的能力，推动我国数控机床整体水平的提高，提高国产数控机床和功能部件在国内外市场上的竞争力。
　　（4）重视发展与电主轴相关的其它技术，如主轴内装电机的闭环矢量控制技术、主轴电机交流伺服控制技术、停机角向准确定位（准停）技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，促进国产数控机床用高速电主轴技术的发展。
　　（5）在数控机床用高速电主轴的关键技术方面，可以实行自主开发与引进并举的策略，加速国产数控机床用电主轴技术向实用化、成熟化和先进化的进程，缩短与发达国家之间的差距。