高速电主轴技术的现状与发展趋势

洛阳轴研科技股份有限公司

高速电主轴对数控机床的发展以及金属切削技术的影响

    对于数控机床模块化设计、简化机床结构、提高机床性能方面的作用

    （1）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。

    （2）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。

    （3）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。

    （4）实现某些xx数控机床的特殊要求

    有些xx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。

    促进了高速切削技术在机械加工领域的广泛应用

    电主轴系由内装式电机直接驱动，以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。采用高速加工技术可以解决机械产品制造中的诸多难题，取得特殊的加工精度和表面质量，因此这项技术在各类装备制造业中得到越来越广泛的应用，正在成为当今金切加工的主流技术。高精度、高转速数控机床主轴单元是承载高速切削技术的主体之一，是高精度、高效率xx数控机床的核心功能部件，是航空航天、汽车、船舶、精密模具、精密机械等{jd0}产品制造领域所需xx加工母机的核心部件。目前国内外电主轴技术的发展十分迅速，各生产厂商都在高可靠性、节能性、高精度、高加工效率、环保性、智能化等方面进行持续的科技攻关，以期形成自身的特色，占领电主轴技术发展的制高点。

    国外电主轴技术的发展趋势

    国外电主轴最早用于内圆磨床，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xx数控机床，成为近年来机床技术所取得的重大成就之一。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，目前国外从事高速数控机床电主轴研发与生产的企业主要有如下几家：德国GMN、西门子、瑞士IBAG、美国Setco、意大利Omlet、Faemat、Gamfior、日本大隈等，其中尤以GMN、IBAG、Omlet、Setco、Gammfier等几家的技术水平代表了这个领域的世界先进水平。

这些公司生产的电主轴较之国内生产的有以下几个特点：①功率大、转速高。②采用高速、高刚度轴承。国外高速精密主轴上采用高速、高刚度轴承，主要有陶瓷轴承和液体动静压轴承，特殊场合采用空气润滑轴承和磁悬浮轴承。③精密加工与精密装配工艺水平高。④配套控制系统水平高。这些控制系统包括转子自动平衡系统、轴承油气润滑与精密控制系统、定转子冷却温度精密控制系统、主轴变形温度补偿精密控制系统等。并在此基础之上，这些外国厂家如美国、日本、德国、意大利和瑞士等工业发达国家已生产了多种商品化高速机床。如瑞士米克朗公司，就是世界上xx的精密机床制造商。它生产的机床配备{zg}达60000r／min的高速电主轴，可以满足不同的切削要求，所有的电主轴均装有恒温冷却水套对主轴电机和轴承进行冷却，并通过高压油雾对复合陶瓷轴承进行润滑。所有的电主轴均采用矢量控制技术，可以在低转速时输出大扭矩。

    电主轴技术的发展趋势主要表现在以下几个方面：

    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，英国WestWind公司的PCB钻孔机电主轴D1733更是达到了250000r／min；加工中心用电主轴，瑞士FISCHER{zg}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。

    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{zd0}扭矩更是达到了630N·m；在高速段大功率方面，一般在l0～50kW；CYTEC电主轴的{zd0}输出功率为50kW；瑞士Step—Tec电主轴的{zd0}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。

    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。

    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FISCHER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l：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。

    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lg以上，全速启、停时间在ls以内。

    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。

    刀具接口逐步趋于HSK、Capto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)。近年来由SANDVIK公司提出的Capto刀具接口也开始在机床行业得到应用，其基本原理与HSK接口相似，但传递扭矩的能力稍大一些，缺点是主轴轴端内孔加工困难较大，工艺比较复杂。

    向多功能、智能化方向发展

    在多功能方面，有角向停机xx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。

    我国电主轴技术的现状及与国外的差距

    国内从事电主轴研究与生产的企业总体上来说与国外上述公司相比在产品研发以及技术的创新能力上不具有优势，但是具有相对的成本优势。国外数控机床主轴公司往往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，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，同时由于分工的细致，机床主轴生产商与各附件生产商之间形成了良性的循环，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，由此带动了国外电主轴行业的整体技术进步。

反观国内厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的附件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器等方面表现的更为突出，基本上是国外产品包打天下。这也是直到目前为止制约国产xx数控机床发展的关键原因所在。

    国产电主轴和国外产品相比较，无论是性能、品种和质量都有较大差距，国产电主轴产品和国外的相比较，主要存在以下差距:①国外电主轴低速段的输出扭矩{zd0}可达1000N·m，而我国目前仅在300N·m以内。②在高转速方面，国外用于加工中心的电主轴转速已达75000r/min，我国则多在30000r/min以内。③电主轴的轴承润滑，国外普遍采用油气润滑，而我国仍用油脂润滑。④其他配套技术也有较大差距，如主轴电机矢量控制、交流伺服控制技术、xx定向技术、快速启动、停止等。⑤在产品的品种、规格、数量和制造规模等方面，国产电主轴仍然处于小量研发试制阶段，没有形成系列化、专业化，远不能满足国内数控机床和加工中心发展的需求。欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准和产品都是欧美相关企业制定和生产的，这是他们{zj1}有优势的地方。

    (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300N·m以上，有的更是高达600多N·m(如德国的CYTEC)，而国内目前则多在100N·m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250000r／min(英国WestWind公司D1733)，而我国电主轴的{zg}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或小批量试制之中。

    (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。