國內(nèi)高速電主軸的應(yīng)用與發(fā)展-三泰軸承技術(shù)

我國高速電主軸的開發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)近50年，國產(chǎn)電主軸已經(jīng)大量裝備在我國全自動軸承內(nèi)表面磨床上。國內(nèi)高檔的高速加工中心主軸多為進口產(chǎn)品，我國開發(fā)生產(chǎn)的加工中心電主軸，已經(jīng)小批量裝備國產(chǎn)機床。
      機床主軸是機床的核心功能部件，傳統(tǒng)機床主軸是通過中間的傳動裝置，如皮帶、齒輪等帶動主軸旋轉(zhuǎn)而進行工作的。電主軸（圖1）又稱內(nèi)裝式電機主軸單元，其主要特征是電機置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進行工作。由于電主軸將機床主軸的高精度與高速電機的電磁功能有機地結(jié)合在一起，省去復(fù)雜的中間傳動環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍廣、振動噪聲小，便于控制，能實現(xiàn)準(zhǔn)停、準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等功能，不僅擁有極高的生產(chǎn)效率，而且能顯著地提高零件的表面質(zhì)量和加工精度。在機械制造業(yè)不斷向高速、高精度、高智能化發(fā)展的今天，高速高精度電主軸已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。

 
      高速電主軸（圖2）起源于內(nèi)表面磨削行業(yè)，在以內(nèi)表面磨加工為主導(dǎo)的軸承和汽車零部件制造業(yè)得到了廣泛的使用。多年來，國內(nèi)有關(guān)工程技術(shù)人員一直在堅持不懈地努力攻克技術(shù)難關(guān)，先后開發(fā)出多代一系列用于內(nèi)表面磨削的電主軸，轉(zhuǎn)速從3000～240000r/min，功率從0.2kW～20kW。目前，國產(chǎn)電主軸已經(jīng)大量裝備了我國全自動軸承內(nèi)表面磨床，使零件內(nèi)表面磨削線速度由35M/S提升到75M/S，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品成本，使我國成為普通軸承和汽車零部件的生產(chǎn)大國。近年來，隨著油氣潤滑技術(shù)、恒溫冷卻和陶瓷球軸承等新技術(shù)的發(fā)展，為高速電主軸技術(shù)水平的提高創(chuàng)造了有利條件，新一代電主軸朝著具有更大的功率、更高的速度和更高的剛性的方向快速發(fā)展。

      隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，機床市場極為火爆。從2002年起，我國已連續(xù)3年保持了世界第一機床消費大國的地位，特別是數(shù)控機床，年增長率在30％以上。高速加工中心主軸作為數(shù)控機床的核心功能部件，也得到了長足的應(yīng)用和發(fā)展。由于加工中心用電主軸（圖3）涉及電主軸高速旋轉(zhuǎn)、潤滑技術(shù)、驅(qū)動控制、準(zhǔn)停、準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等機械與電氣多方面技術(shù)，因此具有較大的技術(shù)難度，目前國內(nèi)高檔的高速加工中心主軸多為進口國外產(chǎn)品。我國也非常重視加工中心電主軸的發(fā)展，國家在“九五”和“十五”中，設(shè)立了科技攻關(guān)重點項目來開發(fā)研制加工中心用內(nèi)裝式電主軸。目前我國已開發(fā)生產(chǎn)了轉(zhuǎn)速從3000-120000r/min，最高轉(zhuǎn)速到24000r/min，最大扭矩達到200N·m的加工中心電主軸，已經(jīng)小批量裝備國產(chǎn)機床。現(xiàn)在，加工中心電主軸正向低速大扭矩等方向發(fā)展，使電主軸在能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的同時，滿足低速段有盡可能大的輸出扭矩；以滿足在同一臺機床上進行低速重切削和高速精加工的要求。另外向快速起、停方向發(fā)展，以縮短輔助時間，提高效率。

      國內(nèi)電主軸目前還廣泛用于小型模具加工和印制電路板加工行業(yè)。電主軸與數(shù)控銑、雕刻機、切割機及并聯(lián)機床相配套，進行高速銑削和雕刻加工，適用于常規(guī)零件、工模具、木工件的加工。特別是用于印制電路板（PCB）、油泵油嘴等行業(yè)的小孔進行高速鉆削、銑削，能夠鉆削印刷電路板0.1～0.7mm小孔和銑削2～6mm長槽，已滿足小孔和微孔的加工需要。目前，國內(nèi)鉆、銑電主軸最高轉(zhuǎn)速已達到80000r/min（圖4），支承方式有滾動軸承支承和滑動支承、并且具有自動松拉刀機構(gòu)，可以實現(xiàn)快速換刀功能。由于國產(chǎn)電主軸具有價格便宜、維護方便和維護費用低等優(yōu)點，已經(jīng)廣泛替代進口產(chǎn)品，大量裝備國內(nèi)機床，同時也促進了中國電路板制造業(yè)的發(fā)展。
      在高速離心機行業(yè)，電主軸廣泛地用于離心分離、離心粉碎、離心霧化、離心干燥、離心試驗等高速離心領(lǐng)域。大大提高了離心速度，增強了離心效果，可提高離心物體的細(xì)化度和分離精度，提高了離心效率，廣泛用于化工行業(yè)和食品加工行業(yè)，是新一代高速離心機的替代產(chǎn)品。

      在車加工行業(yè)，使用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達到12000r/min，并且在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實現(xiàn)無級調(diào)速。高速車削用電主軸在加工中能獲得高的加工精度和表面粗糙度，特別適用于鋁、銅類有色金屬零件的加工。電主軸安裝在高速、高精度數(shù)控車上用寶石刀加工鋁合金工件表面，粗糙度可小于0.1μm，在一些零件的加工中，可以省去磨削或拋光工序，大大提高了生產(chǎn)效率。
      在其他制造行業(yè)，如精密銅管加工行業(yè)，高速電主軸也得到了廣泛的使用。精密銅管主要是用做空調(diào)、冰箱等的熱交換器，為了節(jié)省銅材和增加散熱面積，銅管往往被擠壓成內(nèi)螺紋形，而擠壓內(nèi)螺紋主要依靠高速旋輾用電主軸。以前國內(nèi)只有少量從日本和芬蘭進口的高速旋輾用電主軸，價格非常昂貴，維護也不方便。我國從1997年開始開發(fā)生產(chǎn)高速旋輾用電主軸（圖5），已形成了比較完整的系列，現(xiàn)在已經(jīng)基本占領(lǐng)了國內(nèi)精密銅管加工行業(yè)。電主軸采用陶瓷球軸承支承，采用油氣潤滑，其最高轉(zhuǎn)速可達到40000r/min，目前國內(nèi)采用的轉(zhuǎn)速一般為35000r/min，而世界其他先進國家使用的轉(zhuǎn)速大多停留在24000r/min，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們。我國高速旋輾用電主軸從無到有，到現(xiàn)在已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，我國的精密銅管加工行業(yè)也從比較落后到成為世界最大的精密銅管加工國，高速電主軸的應(yīng)用和發(fā)展起到了非常重要的作用?，F(xiàn)在，我國高速旋輾用電主軸憑借著價格低、技術(shù)先進、維護方便等優(yōu)點，每年生產(chǎn)銷售數(shù)百套，并且批量出口到國外。
      高速電主軸替代電動機和精密齒輪增速器組成的高速動力源來拖帶試驗機是高速電主軸的又一大用途。不論是在軍用還是民用領(lǐng)域，高速電主軸已廣泛用于高速深冷液氫軸承試驗機、高速高溫燃汽輪機點火裝置試驗機、高速卡盤試驗機以及石油行業(yè)的高速密封件試驗機。其實，高速電主軸不僅僅應(yīng)用于以上方面，在需要高速旋轉(zhuǎn)的地方，都有可能使用電主軸。
      我國從1958年開始研制高速電主軸，特別是近20年來，高速電主軸得到了廣泛的應(yīng)用，從而促進了我國制造業(yè)的快速發(fā)展。但是，同國外高速電主軸先進制造廠商相比，我們還有相當(dāng)大的差距，我國高速電主軸的開發(fā)設(shè)計和生產(chǎn)還需要進一步的發(fā)展，目前的差距和發(fā)展方向主要在以下幾個方面。

      首先，雖然我國高速電主軸的開發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)有近50年，但始終沒有一個統(tǒng)一的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各個生產(chǎn)廠根據(jù)自己的需要開發(fā)生產(chǎn)各自的電主軸，在電主軸系列、檢驗標(biāo)準(zhǔn)、命名方法甚至外形安裝尺寸上，各個廠家都不一樣，使用戶在選用時造成很大的不便，在數(shù)控機床電主軸方面，多數(shù)情況下，用戶只能定做，交貨期長，價格高，質(zhì)量不穩(wěn)定。目前，國家有關(guān)管理部門正在制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這將有力地促進我國高速電主軸行業(yè)的發(fā)展。
      其次，由于我國基礎(chǔ)工業(yè)比較薄弱，在材料和熱處理方面有一定差距，特別是在主軸加工的關(guān)鍵工序、關(guān)鍵零件的制造技術(shù)也有一定差距。由于受到機床的限制，許多零件在表面粗糙度、形位公差等方面不如國外先進水平。在高速電主軸電機所用原材料上，我國目前相當(dāng)落后，參數(shù)方面與國外先進水平有一定差距。電主軸電機設(shè)計方面，同樣外徑尺寸下，功率、效率相差較大。如德國KAVO公司主軸電機功率與國內(nèi)電主軸電機相比，功率相差30～50％左右。由于高速電主軸大多采用軸承支承，在高速高精度軸承制造方面，我們的差距更大。雖然我國已經(jīng)能夠生產(chǎn)高精度高轉(zhuǎn)速的P4級角接觸軸承，但形成批量產(chǎn)品的廠家很少，軸承的精度和質(zhì)量還不是很穩(wěn)定。決定電主軸最高轉(zhuǎn)速和剛性的指標(biāo)主要是軸承的dmn值（軸承節(jié)圓直徑與轉(zhuǎn)速的乘積），國外目前已經(jīng)達到了250萬，而國內(nèi)只能達到200萬，與國外相差甚遠(yuǎn)。國外現(xiàn)在普遍采用陶瓷球軸承，而我國的陶瓷球軸承無論是產(chǎn)量還是質(zhì)量還都不穩(wěn)定，這也制約著我國電主軸的發(fā)展，影響了我國電主軸的質(zhì)量和壽命。在軸承潤滑材料和技術(shù)方面，電主軸一般采用油脂、油霧和油氣三種方法。高速潤滑油脂一般采用以礦物油為基礎(chǔ)的鋰基脂，國內(nèi)的研制還處很落后，一般都選用進口產(chǎn)品。油霧潤滑電主軸在國內(nèi)使用最為廣泛，但由于對環(huán)境有一定的污染，國外已不再使用，而采用油氣潤滑，根據(jù)國外的發(fā)展趨勢，國內(nèi)油霧潤滑電主軸也將會逐步被淘汰。油氣潤滑系統(tǒng)具有很多優(yōu)點，但價格昂貴，國內(nèi)生產(chǎn)點又少，技術(shù)指標(biāo)也和國外相差甚遠(yuǎn)，同時對電主軸軸承運行時需要的實際供油量，我們還處在摸索階段，這也制約著電主軸技術(shù)的發(fā)展。因此，只有大力加強我國高速、高精度軸承及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，才能使高速電主軸得到快速的發(fā)展。
      在電主軸的其他相關(guān)技術(shù)方面，我們也存在不小的差距。高速加工中心電主軸我國雖然已經(jīng)能夠小批量生產(chǎn)，并且已經(jīng)裝備了一些國產(chǎn)機床。但加工中心電主軸需要采用閉環(huán)矢量控制變頻器進行驅(qū)動，而我國開發(fā)出的的閉環(huán)矢量控制變頻器，性能還不穩(wěn)定。如果采用國外的變頻器，大多要采用國外的電機配套，我們的電主軸就沒有了自己的技術(shù)發(fā)展。加工中心電主軸所使用的磁性編碼器國內(nèi)不能生產(chǎn)，只能選用進口。我國雖然開發(fā)出了最高轉(zhuǎn)速24000r/min的中心電主軸，但軸端的HSK刀柄及其檢具也必須依賴進口。特別是國內(nèi)還沒有能夠達到24000r/min的刀具，所以這種電主軸還得不到實際應(yīng)用。國內(nèi)數(shù)控加工中心的上位機基本上是西門子和發(fā)那科系統(tǒng)，由于技術(shù)保密，這些公司不提供通信協(xié)議。因此，國內(nèi)開發(fā)的加工中心電主軸驅(qū)動系統(tǒng)只能提供模擬接口，不能提供數(shù)字接口，這更加影響了加工中心電主軸在國內(nèi)數(shù)控機床中的應(yīng)用。只有加大相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)高速電主軸才能得到相應(yīng)的發(fā)展。
      隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，中國逐步成為世界制造業(yè)的基地，制造業(yè)正朝著高速、高效、高精度和高智能化方向發(fā)展，高速電主軸的應(yīng)用范圍將越來越廣泛。同時，加大高速電主軸開發(fā)技術(shù)和制造的發(fā)展，提高產(chǎn)品競爭，才能更好的促進我國制造業(yè)的發(fā)展，使中國真正成為世界制造業(yè)的中心。

寧波三泰軸承有限公司 胡旭輝   13065807009
0574-87220315 87220319 87220519
傳真:0574-87223781
www.huizhouweb.com web@sunthaibearing.com