洛陽軸研科技股份有限公司 李彥

一、高速電主軸的發(fā)展歷程

早在 20 世紀(jì) 50 年代，就己出現(xiàn)了用于磨削小孔的高頻電主軸，當(dāng)時的變頻器采用的是真空電子管，雖然轉(zhuǎn)速高，但傳遞的功率小，轉(zhuǎn)矩也小。隨著高速切削發(fā)展的需要和功率電子器件、微電子器件和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生了全固態(tài)元件的變頻器和矢量控制驅(qū)動器；加上混合陶瓷球軸承的出現(xiàn)，使得在 20 世紀(jì) 80 年代末、90 年代初出現(xiàn)了用于銑削、鉆削、加工中心及車削等加工的大功率、大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速的電主軸。

國外高速電主軸技術(shù)發(fā)展較快，中等規(guī)格的加工中心的主軸轉(zhuǎn)速目前己普遍達(dá)到 10000r/min 甚至更高。1976 年美國的 Vought 公司首次推出一臺超高速銑床，采用了 Bryant 內(nèi)裝式電機(jī)主軸系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到了20,OOOr/min，功率為 15KW。到 90 年代末期，電主軸發(fā)展的水平是:轉(zhuǎn)速40,000 r/min，功率 40 KW(即所謂的“40-40 水平”)。但 2001 年美國Cincinnati 公司為宇航工業(yè)生產(chǎn)了 SuperMach 大型高速加工中心，其電主軸最高轉(zhuǎn)速達(dá) 60,000 r/min，功率為 80 KW。

目前世界各主要工業(yè)國家均有裝備優(yōu)良的專業(yè)電主軸生產(chǎn)廠，批量生產(chǎn)一系列用于加工中心和高速數(shù)控機(jī)床的電主軸。其中最著名的生產(chǎn)廠家有:瑞士的 FISCHER公司、IBAG 公司和 STEP-TEC 公司，德國的 GMN公司和FAG 公司，美國的 PRECISE 公司，意大利的GAMFIOR 公司和 FOEMAT 公司，日本的 NSK公司和KOYO公司，以及瑞典的 SKF公司等公司。高速電主軸生產(chǎn)技術(shù)的突破，大大推動了世界高速加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。

從 80年代中后期以來，商品化的超高速切削機(jī)床不斷出現(xiàn)，超高速機(jī)床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種加工中心等。德國、美國、瑞士、英國、法國、日本也相繼推出了自己的超高速機(jī)床。其中日本工業(yè)界善于汲取各國的研究成果并及時應(yīng)用到新產(chǎn)品開發(fā)中去，尤其在超高速切削機(jī)床的研究和開發(fā)方面后來居上，現(xiàn)己躍居世界領(lǐng)先地位。日本廠商現(xiàn)己成為世界上超高速機(jī)床的主要提供者。在我國，也開始有廠家生產(chǎn)超高速機(jī)床。

中國機(jī)床工具行業(yè)近幾年的快速發(fā)展，受到世界機(jī)床制造業(yè)界矚目。代表當(dāng)今機(jī)床技術(shù)發(fā)展主流的數(shù)控機(jī)床，更是異軍突起，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在高速、多軸、復(fù)合、精密以及自動化等方面都取得了明顯的進(jìn)展。尤其在數(shù)控機(jī)床的高速化和品種發(fā)展上進(jìn)步明顯。在CIMT2003 屆展會的高速加工中心展品有 30 多臺，占參展國產(chǎn)加工中心總數(shù)的 30%。在高速加工中心展品中，寧江機(jī)床集團(tuán)公司的NJ-5HMC40臥式加工中心最高主軸轉(zhuǎn)速達(dá)40000r / min，快速行程達(dá) 60m / min 。在高精度產(chǎn)品中有北京機(jī)床研究所的高速立式加工中心，成都托普數(shù)控機(jī)床公司的 PMC600高速立式加工中心，大連機(jī)床集團(tuán)有限公司的 DHSC500 高速臥式加工中心，沈陽機(jī)床股份有限公司的 BW60HS / 1 臥式加工中心等。

高速加工機(jī)床的涌現(xiàn)及超高速切削技術(shù)的發(fā)展，帶動了相關(guān)技術(shù)及數(shù)控功能部件的專業(yè)化生產(chǎn)。數(shù)控功能部件是指數(shù)控系統(tǒng)、主軸單元、數(shù)控刀架和轉(zhuǎn)臺、滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副、刀庫和機(jī)械手、高速防護(hù)裝置等。它們是數(shù)控機(jī)床的核心組成部分。主機(jī)技術(shù)水平的不斷提高，要求配套的功能部件也必須迅速提高自身的水平。功能部件技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣以及整體的社會配套水平，都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展速度。沒有高質(zhì)量的功能部件，數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展也將成為一句空話。

國產(chǎn)電主軸技術(shù)水平的高低必然影響產(chǎn)品在主機(jī)上的應(yīng)用。我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程充分證明，數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)發(fā)展的滯后，始終是制約我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展的瓶頸問題之一。功能部件跟不上，發(fā)展數(shù)控機(jī)床將成為空話。我國數(shù)控機(jī)床整體技術(shù)水平的發(fā)展和提高，最終離不開先進(jìn)的功能部件產(chǎn)業(yè)的支持。我們要抓住目前的黃金發(fā)展機(jī)遇，學(xué)習(xí)國外同行的先進(jìn)技術(shù)，探索國際合作途徑，共同為做大做強(qiáng)數(shù)控功能部件產(chǎn)業(yè)，為國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展而努力奮斗。

二、高速電主軸的結(jié)構(gòu)組成

數(shù)控機(jī)床的高速主軸具有高回轉(zhuǎn)速度，但這并無嚴(yán)格的界限。對作為高速切削機(jī)床代表的加工中心和數(shù)控銑床而言，一般是指最高轉(zhuǎn)速≥10,000r/min的主軸系統(tǒng)，并相應(yīng)具有高的角加(減)速度，以實(shí)現(xiàn)主軸的瞬時升降速與起停。為適應(yīng)制造業(yè)對機(jī)床加工精度愈來愈高的要求，高速切削主軸還應(yīng)有較高的回轉(zhuǎn)精度，通常要求主軸的徑向跳動小于1或2μm，軸向竄動小于1μm。此外，主軸也要有足夠的靜、動剛度，以承受一定的切削負(fù)荷和保持高的回轉(zhuǎn)精度。

高速電主軸是高速機(jī)床的核心部件，它將機(jī)床主軸與變頻電機(jī)軸合二為一，即將主軸電機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子直接裝入主軸組件內(nèi)部，也被稱為內(nèi)裝式電主軸（built in motor spindle），其間不再使用皮帶或齒輪傳動副，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸系統(tǒng)的“零傳動”。高速電主軸的結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣性小、響應(yīng)特性好，并可改善主軸的動平衡，減少振動和噪聲，是高速機(jī)床主軸單元的理想結(jié)構(gòu)。

高速主軸單元包括動力源、主軸、軸承和機(jī)架四個主要部分，是高速機(jī)床的核心部件。這四個部分構(gòu)成一個動力學(xué)性能及穩(wěn)定性良好的系統(tǒng)，在很大程度上決定了機(jī)床所能達(dá)到的切削速度、加工精度和應(yīng)用范圍。高速主軸單元的性能取決于主軸的設(shè)計(jì)方法、材料、結(jié)構(gòu)、軸承、潤滑冷卻、動平衡、噪聲等多項(xiàng)相關(guān)技術(shù)，其中一些技術(shù)又是相互制約的，包括高速和高剛度的矛盾、高速和大轉(zhuǎn)矩的矛盾等。

從目前發(fā)展現(xiàn)狀來看，主軸單元形成獨(dú)立的單元而成為功能部件以方便地配置到多種加工中心及高速機(jī)床上，而且越來越多地采用電主軸類型。電主軸技術(shù)包括高速主軸軸承、無外殼主軸電機(jī)及其控制模塊、潤滑冷卻系統(tǒng)、主軸刀柄接口和刀具夾緊方式以及刀具動平衡等。

在高速主軸單元中，由于機(jī)床既要完成粗加工，又要完成精加工，因此對主軸單元提出了較高的靜剛度和工作精度的要求。另外，高速機(jī)床主軸單元的動態(tài)特性也在很大程度上決定了機(jī)床的加工質(zhì)量和切削能力。當(dāng)切削過程出現(xiàn)較大的振動時，會使刀具出現(xiàn)劇烈的磨損或破損，也會增加主軸軸承所承受的動載荷，降低軸承的精度和壽命，影響加工精度和表面質(zhì)量。因此，主軸單元應(yīng)具有較好的抗振性。高速運(yùn)轉(zhuǎn)下，主軸單元的振動問題是非常突出的，采用電主軸是最佳的選擇，這是因?yàn)椋?/p>

（l）如果電機(jī)仍采用皮帶或齒輪等方式傳動，則在高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，所產(chǎn)生的振動和噪聲等問題難以解決，必會影響機(jī)床的加工精度、加工表面粗糙度。 （2）為了提高生產(chǎn)率，要求在最短時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)高的速度變化，即主軸回轉(zhuǎn)時要具有極大的角加速度。達(dá)到這個要求的最經(jīng)濟(jì)的辦法，是將主軸傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量盡可能地減小。而將電機(jī)內(nèi)置，省掉齒輪、皮帶等一系列中間環(huán)節(jié)，才是達(dá)到這一目標(biāo)的理想途徑。 （3）電機(jī)內(nèi)置于主軸兩支承之間，可提高主軸系統(tǒng)的剛度，也就是提高了系統(tǒng)的固有頻率，從而提高了其臨界轉(zhuǎn)速值。

電主軸系統(tǒng)有三項(xiàng)性能指標(biāo)是非常重要的，它們分別是:

1)使用壽命。指更換一次軸承時主軸的累計(jì)工作時間。實(shí)際上就是指軸承的使用壽命。 2)主軸前端徑向剛度。是指電主軸工作端在單位徑向力作用下產(chǎn)生的位移。這一指標(biāo)對加工精度、生產(chǎn)效率影響很大。在其它條件相同的情況下，徑向剛度越大，工作效率就越高。3)臨界轉(zhuǎn)速。是指當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)時，會使主軸出現(xiàn)撓度急劇增大、轉(zhuǎn)動失穩(wěn)現(xiàn)象的那些旋轉(zhuǎn)速度。主軸工作轉(zhuǎn)速應(yīng)遠(yuǎn)離各階臨界轉(zhuǎn)速，否則主軸將有可能處于共振區(qū)而產(chǎn)生劇烈振動。

這三項(xiàng)指標(biāo)對于一根設(shè)計(jì)良好的主軸來說，均應(yīng)達(dá)到預(yù)定的要求。在傳統(tǒng)的電主軸設(shè)計(jì)中，由于缺乏必要的分析計(jì)算，只能等產(chǎn)品加工出來后再通過試驗(yàn)來考核其性能指標(biāo)。若其性能指標(biāo)不能滿足預(yù)定的要求，則要修改設(shè)計(jì)，重新制做，這樣必然導(dǎo)致產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期長，并且成本高。而現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法則要求在設(shè)計(jì)過程中通過一些分析計(jì)算就應(yīng)能夠預(yù)測出主軸、軸承以及軸系的靜、動態(tài)性能指標(biāo)，在產(chǎn)品加工出來以前就能知道設(shè)計(jì)是否合理，從而大大縮短設(shè)計(jì)周期，降低生產(chǎn)成本。

三、國外高速電主軸的主要特點(diǎn)

從國外的情況來看，高速電主軸的主要特點(diǎn)如下：

1、功率大、轉(zhuǎn)速高 目前單獨(dú)實(shí)現(xiàn)電七軸的高轉(zhuǎn)速或大功率在技術(shù)上已經(jīng)不存在難題，但要同時實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速和大功率，則存在相當(dāng)?shù)募夹g(shù)難度。圍繞高速電主軸技術(shù)，世界各國的公司展開了激烈競爭。

2、采用高速高剛度軸承 國外高速精密主軸均采用高速高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，特殊場合采用空氣潤滑軸承和磁懸浮軸承。美國Ingersoll公司采用液體動靜壓軸承，最高轉(zhuǎn)速達(dá)到40 000r／min；瑞士IBAG公司磁懸浮軸承最高到200000r／min。目前國內(nèi)高速電主軸用軸承主要依賴進(jìn)口，也有一部分采用國產(chǎn)的鋼質(zhì)角接觸球軸承，但壽命有待進(jìn)一步提高。

3、精密加工與精密裝配工藝高 精密加工和精密裝工藝是電主軸的核心技術(shù)之—。電主軸的上軸、前后軸承蓋等的制造工藝要求非常高。為了保證電主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時的回轉(zhuǎn)精度和剛度，這些數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵零件必須進(jìn)行精密加工或超精密加工，其尺寸誤差一般在微米級或更?。粚νS度、垂直度和表面粗糙度也都有極嚴(yán)格的要求。為了制造這些高精度零件，國外電主軸的專業(yè)制造廠都裝備有成套的高精度加工設(shè)備，如高精度數(shù)控車削中心、精密數(shù)控外圓磨床、高精度加工中心、高精度數(shù)控內(nèi)圓磨床等，同時還配備了高精度測試設(shè)備。在國內(nèi)，如陶瓷軸承、異步型電動機(jī)轉(zhuǎn)子等電主軸的關(guān)鍵零件制造中的關(guān)鍵問題還沒有得到很好的解決， 影響了數(shù)控機(jī)床的制造水平。

4、配套控制系統(tǒng)水平高 這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。例如，瑞士 Fischer公司和德國Hofmmm 公司生產(chǎn)電主軸配套的在線自動平衡系統(tǒng)，可以在線自動校正偏心，大幅度降低電主軸高速運(yùn)行情況下的振動；SKF公司和NSK公司生產(chǎn)的軸承油氣潤滑系統(tǒng)，可以通過定時定量控制進(jìn)氣量保證軸承的潤滑和溫升控制在正常水平。

四、高速電主軸對數(shù)控機(jī)床的影響

電主軸可以根據(jù)用途、結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)等特征形成標(biāo)準(zhǔn)化、系列化產(chǎn)品，供主機(jī)選用，從而促進(jìn)機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化。標(biāo)準(zhǔn)化、系列化的電主軸產(chǎn)品易于形成專業(yè)化、 規(guī)?；a(chǎn)，實(shí)現(xiàn)功能部件的低成本制造；采用電主軸后，機(jī)床結(jié)構(gòu)的簡單化和模塊化，也有利于降低機(jī)床成本；此外，還可以縮短機(jī)床研制周期，適應(yīng)目前快速多變的市場趨勢。

采用電主軸結(jié)構(gòu)的數(shù)控機(jī)床，由于結(jié)構(gòu)簡化，傳動、連接環(huán)節(jié)減少，因此提高了機(jī)床的可靠性；技術(shù)成熟、功能完善、性能優(yōu)良、質(zhì)量可靠的電主軸功能部件使機(jī)床的性能更加完善，可靠性得以進(jìn)一步提高。有些高檔數(shù)控機(jī)床，如并聯(lián)運(yùn)動機(jī)床、五面體加工中心、小孔和超小孔加工機(jī)床等，必須采用電主軸，方能 滿足完善的功能要求。

電主軸系由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動，以滿足高速切削對機(jī)床“高速度、高精度、高可靠性及小振動”的要求，與機(jī)床高速進(jìn)給系統(tǒng)、高速刀具系統(tǒng)一起組成高速切削所需要的必備條件。電主軸技術(shù)與電機(jī)變頻、閉環(huán)矢量控制、交流伺服控制等技術(shù)相結(jié)合，可以滿足車削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等金屬切削加工的需要。

采用高速加工技術(shù)可以解決機(jī)械產(chǎn)品制造中的諸多難題，取得特殊的加工精度和表面質(zhì)量，因此這項(xiàng)技術(shù)在各類裝備制造業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用，正在成為當(dāng)今金切加工的主流技術(shù)。高精度、高轉(zhuǎn)速數(shù)控機(jī)床主軸單元是承載高速切削技術(shù)的主體之一工業(yè)自動化網(wǎng)版權(quán)所有，是高精度、高效率高檔數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，是航空航天、汽車、船舶、精密模具、精密機(jī)械等尖端產(chǎn)品制造領(lǐng)域所需高檔加工母機(jī)的核心部件。目前國內(nèi)外電主軸技術(shù)的發(fā)展十分迅速，各生產(chǎn)廠商都在高可靠性、節(jié)能性、高精度、高加工效率、環(huán)保性、智能化等方面進(jìn)行持續(xù)的科技攻關(guān)，以期形成自身的特色搜企網(wǎng)版權(quán)所有，占領(lǐng)電主軸技術(shù)發(fā)展的制高點(diǎn)。

[1]吳玉厚.數(shù)控機(jī)床電主軸單元技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

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