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国内高速电主轴的应用与发展

  我国高速电主轴的开发和生产已经近50年,国产电主轴已经大量装备在我国全自动轴承内表面磨床上。国内高档的高速加工中心主轴多为进口产品,我国开发生产的加工中心电主轴,已经小批量装备国产机床。


  机床主轴是机床的核心功能部件,传统机床主轴是通过中间的传动装置,如皮带、齿轮等带动主轴旋转而进行工作的。电主轴(图1)又称内装式电机主轴单元,其主要特征是电机置于主轴内部,通过驱动电源直接驱动主轴进行工作。由于电主轴将机床主轴的高精度与高速电机的电磁功能有机地结合在一起,省去复杂的中间传动环节,具有调速范围广、振动噪声小,便于控制,能实现准停、准速、准位等功能,不仅拥有极高的生产效率,而且能显著地提高零件的表面质量和加工精度。在机械制造业不断向高速、高精度、高智能化发展的今天,高速高精度电主轴已经得到了广泛的应用。

 

  高速电主轴(图2)起源于内表面磨削行业,在以内表面磨加工为主导的轴承和汽车零部件制造业得到了广泛的使用。多年来,国内有关工程技术人员一直在坚持不懈地努力攻克技术难关,先后开发出多代一系列用于内表面磨削的电主轴,转速从3000~240000r/min,功率从0.2kW~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。近年来,随着油气润滑技术、恒温冷却和陶瓷球轴承等新技术的发展,为高速电主轴技术水平的提高创造了有利条件,新一代电主轴朝着具有更大的功率、更高的速度和更高的刚性的方向快速发展。

 
  随着我国制造业的快速发展,机床市场极为火爆。从2002年起,我国已连续3年保持了世界第一机床消费大国的地位,特别是数控机床,年增长率在30%以上。高速加工中心主轴作为数控机床的核心功能部件,也得到了长足的应用和发展。由于加工中心用电主轴(图3)涉及电主轴高速旋转、润滑技术、驱动控制、准停、准速、准位等机械与电气多方面技术,因此具有较大的技术难度,目前国内高档的高速加工中心主轴多为进口国外产品。我国也非常重视加工中心电主轴的发展,国家在“九五”和“十五”中,设立了科技攻关重点项目来开发研制加工中心用内装式电主轴。目前我国已开发生产了转速从3000-120000r/min,最高转速到24000r/min,最大扭矩达到200N·m的加工中心电主轴,已经小批量装备国产机床。现在,加工中心电主轴正向低速大扭矩等方向发展,使电主轴在能够实现较高转速的同时,满足低速段有尽可能大的输出扭矩;以满足在同一台机床上进行低速重切削和高速精加工的要求。另外向快速起、停方向发展,以缩短辅助时间,提高效率。
 

  国内电主轴目前还广泛用于小型模具加工和印制电路板加工行业。电主轴与数控铣、雕刻机、切割机及并联机床相配套,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。特别是用于印制电路板(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0.1~0.7mm小孔和铣削2~6mm长槽,已满足小孔和微孔的加工需要。目前,国内钻、铣电主轴最高转速已达到80000r/min(图4),支承方式有滚动轴承支承和滑动支承、并且具有自动松拉刀机构,可以实现快速换刀功能。由于国产电主轴具有价格便宜、维护方便和维护费用低等优点,已经广泛替代进口产品,大量装备国内机床,同时也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、离心试验等高速离心领域。大大提高了离心速度,增强了离心效果,可提高离心物体的细化度和分离精度,提高了离心效率,广泛用于化工行业和食品加工行业,是新一代高速离心机的替代产品。

 
  在车加工行业,使用电主轴最高转速可达到12000r/min,并且在额定转速范围内可实现无级调速。高速车削用电主轴在加工中能获得高的加工精度和表面粗糙度,特别适用于铝、铜类有色金属零件的加工。电主轴安装在高速、高精度数控车上用宝石刀加工铝合金工件表面,粗糙度可小于0.1μm,在一些零件的加工中,可以省去磨削或抛光工序,大大提高了生产效率。


  在其他制造行业,如精密铜管加工行业,高速电主轴也得到了广泛的使用。精密铜管主要是用做空调、冰箱等的热交换器,为了节省铜材和增加散热面积,铜管往往被挤压成内螺纹形,而挤压内螺纹主要依靠高速旋辗用电主轴。以前国内只有少量从日本和芬兰进口的高速旋辗用电主轴,价格非常昂贵,维护也不方便。我国从1997年开始开发生产高速旋辗用电主轴(图5),已形成了比较完整的系列,现在已经基本占领了国内精密铜管加工行业。电主轴采用陶瓷球轴承支承,采用油气润滑,其最高转速可达到40000r/min,目前国内采用的转速一般为35000r/min,而世界其他先进国家使用的转速大多停留在24000r/min,生产效率远远低于我们。我国高速旋辗用电主轴从无到有,到现在已经处于国际领先水平,我国的精密铜管加工行业也从比较落后到成为世界最大的精密铜管加工国,高速电主轴的应用和发展起到了非常重要的作用。现在,我国高速旋辗用电主轴凭借着价格低、技术先进、维护方便等优点,每年生产销售数百套,并且批量出口到国外。


  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来拖带试验机是高速电主轴的又一大用途。不论是在军用还是民用领域,高速电主轴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。其实,高速电主轴不仅仅应用于以上方面,在需要高速旋转的地方,都有可能使用电主轴。


  我国从1958年开始研制高速电主轴,特别是近20年来,高速电主轴得到了广泛的应用,从而促进了我国制造业的快速发展。但是,同国外高速电主轴先进制造厂商相比,我们还有相当大的差距,我国高速电主轴的开发设计和生产还需要进一步的发展,目前的差距和发展方向主要在以下几个方面。


  首先,虽然我国高速电主轴的开发和生产已经有近50年,但始终没有一个统一的国家或行业标准。各个生产厂根据自己的需要开发生产各自的电主轴,在电主轴系列、检验标准、命名方法甚至外形安装尺寸上,各个厂家都不一样,使用户在选用时造成很大的不便,在数控机床电主轴方面,多数情况下,用户只能定做,交货期长,价格高,质量不稳定。目前,国家有关管理部门正在制定相应的行业标准,这将有力地促进我国高速电主轴行业的发展。


  其次,由于我国基础工业比较薄弱,在材料和热处理方面有一定差距,特别是在主轴加工的关键工序、关键零件的制造技术也有一定差距。由于受到机床的限制,许多零件在表面粗糙度、形位公差等方面不如国外先进水平。在高速电主轴电机所用原材料上,我国目前相当落后,参数方面与国外先进水平有一定差距。电主轴电机设计方面,同样外径尺寸下,功率、效率相差较大。如德国KAVO公司主轴电机功率与国内电主轴电机相比,功率相差30~50%左右。由于高速电主轴大多采用轴承支承,在高速高精度轴承制造方面,我们的差距更大。虽然我国已经能够生产高精度高转速的P4级角接触轴承,但形成批量产品的厂家很少,轴承的精度和质量还不是很稳定。决定电主轴最高转速和刚性的指标主要是轴承的dmn值(轴承节圆直径与转速的乘积),国外目前已经达到了250万,而国内只能达到200万,与国外相差甚远。国外现在普遍采用陶瓷球轴承,而我国的陶瓷球轴承无论是产量还是质量还都不稳定,这也制约着我国电主轴的发展,影响了我国电主轴的质量和寿命。在轴承润滑材料和技术方面,电主轴一般采用油脂、油雾和油气三种方法。高速润滑油脂一般采用以矿物油为基础的锂基脂,国内的研制还处很落后,一般都选用进口产品。油雾润滑电主轴在国内使用最为广泛,但由于对环境有一定的污染,国外已不再使用,而采用油气润滑,根据国外的发展趋势,国内油雾润滑电主轴也将会逐步被淘汰。油气润滑系统具有很多优点,但价格昂贵,国内生产点又少,技术指标也和国外相差甚远,同时对电主轴轴承运行时需要的实际供油量,我们还处在摸索阶段,这也制约着电主轴技术的发展。因此,只有大力加强我国高速、高精度轴承及其相关技术的发展,才能使高速电主轴得到快速的发展。


  在电主轴的其他相关技术方面,我们也存在不小的差距。高速加工中心电主轴我国虽然已经能够小批量生产,并且已经装备了一些国产机床。但加工中心电主轴需要采用闭环矢量控制变频器进行驱动,而我国开发出的的闭环矢量控制变频器,性能还不稳定。如果采用国外的变频器,大多要采用国外的电机配套,我们的电主轴就没有了自己的技术发展。加工中心电主轴所使用的磁性编码器国内不能生产,只能选用进口。我国虽然开发出了最高转速24000r/min的中心电主轴,但轴端的HSK刀柄及其检具也必须依赖进口。特别是国内还没有能够达到24000r/min的刀具,所以这种电主轴还得不到实际应用。国内数控加工中心的上位机基本上是西门子和发那科系统,由于技术保密,这些公司不提供通信协议。因此,国内开发的加工中心电主轴驱动系统只能提供模拟接口,不能提供数字接口,这更加影响了加工中心电主轴在国内数控机床中的应用。只有加大相关技术的发展,国内高速电主轴才能得到相应的发展。


  随着我国经济的快速发展,中国逐步成为世界制造业的基地,制造业正朝着高速、高效、高精度和高智能化方向发展,高速电主轴的应用范围将越来越广泛。同时,加大高速电主轴开发技术和制造的发展,提高产品竞争,才能更好的促进我国制造业的发展,使中国真正成为世界制造业的中心。

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