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              國內高速電主軸的應用與發展

              作者:九旭機械來源:http://www.222.com

                我國高速電主軸的開發和生產已經近50年,國產電主軸已經大量裝備在我國全自動軸承內表面磨床上。國內高的高速加工中心主軸多為進口產品,我國開發生產的加工中心電主軸,已經小批量裝備國產機床。
               
                機床主軸是機床的核心功能部件,傳統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而進行工作的。電主軸(圖1)又稱內裝式電機主軸單元,其主要特征是電機置于主軸內部,通過驅動電源直接驅動主軸進行工作。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合在一起,省去復雜的中間傳動環節,具有調速范圍廣、振動噪聲小,便于控制,能實現準停、準速、準位等功能,不僅擁有極高的生產效率,而且能顯著地提高零件的表面質量和加工精度。在機械制造業不斷向高速、高精度、高智能化發展的今天,高速高精度電主軸已經得到了廣泛的應用。
               
                高速電主軸(圖2)起源于內表面磨削行業,在以內表面磨加工為主導的軸承和汽車零部件制造業得到了廣泛的使用。多年來,國內有關工程技術人員一直在堅持不懈地努力攻克技術難關,先后開發出多代一系列用于內表面磨削的電主軸,轉速從3000~240000r/min,功率從0.2kW~20kW。目前,國產電主軸已經大量裝備了我國全自動軸承內表面磨床,使零件內表面磨削線速度由35M/S提升到75M/S,大大提高了生產效率,降低了產品成本,使我國成為普通軸承和汽車零部件的生產大國。近年來,隨著油氣潤滑技術、恒溫冷卻和陶瓷球軸承等新技術的發展,為高速電主軸技術水平的提高創造了有利條件,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展。
               
                隨著我國制造業的快速發展,機床市場極為火爆。從2002年起,我國已連續3年保持了WORD一機床消費大國的地位,特別是數控機床,年增長率在30%以上。高速加工中心主軸作為數控機床的核心功能部件,也得到了長足的應用和發展。由于加工中心用電主軸(圖3)涉及電主軸高速旋轉、潤滑技術、驅動控制、準停、準速、準位等機械與電氣多方面技術,因此具有較大的技術難度,目前國內高的高速加工中心主軸多為進口國外產品。我國也非常重視加工中心電主軸的發展,國家在“九五”和“十五”中,設立了科技攻關重點項目來開發研制加工中心用內裝式電主軸。目前我國已開發生產了轉速從3000-120000r/min,zui高轉速到24000r/min,zui大扭矩達到200N·m的加工中心電主軸,已經小批量裝備國產機床?,F在,加工中心電主軸正向低速大扭矩等方向發展,使電主軸在能夠實現較高轉速的同時,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、停方向發展,以縮短輔助時間,提高效率。
               
                國內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。電主軸與數控銑、雕刻機、切割機及并聯機床相配套,進行高速銑削和雕刻加工,適用于常規零件、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,國內鉆、銑電主軸zui高轉速已達到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,可以實現快速換刀功能。由于國產電主軸具有價格便宜、維護方便和維護費用低等優點,已經廣泛替代進口產品,大量裝備國內機床,同時也促進了中國電路板制造業的發展。
               
                在高速離心機行業,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化度和分離精度,提高了離心效率,廣泛用于化工行業和食品加工行業,是新一代高速離心機的替代產品。
               
                在車加工行業,使用電主軸zui高轉速可達到12000r/min,并且在額定轉速范圍內可實現無級調速。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,大大提高了生產效率。
               
                在其他制造行業,如精密銅管加工行業,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、冰箱等的熱交換器,為了節省銅材和增加散熱面積,銅管往往被擠壓成內螺紋形,而擠壓內螺紋主要依靠高速旋輾用電主軸。以前國內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年開始開發生產高速旋輾用電主軸(圖5),已形成了比較完整的系列,現在已經基本占領了國內精密銅管加工行業。電主軸采用陶瓷球軸承支承,采用油氣潤滑,其zui高轉速可達到40000r/min,目前國內采用的轉速一般為35000r/min,而WORD其他先國家使用的轉速大多停留在24000r/min,生產效率遠遠低于我們。我國高速旋輾用電主軸從無到有,到現在已經處于國領先水平,我國的精密銅管加工行業也從比較落后到成為WORDzui大的精密銅管加工國,高速電主軸的應用和發展起到了非常重要的作用?,F在,我國高速旋輾用電主軸憑借著價格低、技術先、維護方便等優點,每年生產銷售數百套,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的高速密封件試驗機。其實,高速電主軸不僅僅應用于以上方面,在需要高速旋轉的地方,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用,從而促進了我國制造業的快速發展。但是,同國外高速電主軸先制造廠商相比,我們還有相當大的差距,我國高速電主軸的開發設計和生產還需要進一步的發展,目前的差距和發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和生產已經有近50年,但始終沒有一個統一的國家或行業標準。各個生產廠根據自己的需要開發生產各自的電主軸,在電主軸系列、檢驗標準、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,在數控機床電主軸方面,多數情況下,用戶只能定做,交貨期長,價格高,質量不穩定。目前,國家有關管理部門正在制定相應的行業標準,這將有力地促進我國高速電主軸行業的發展。
               
                其次,由于我國基礎工業比較薄弱,在材料和熱處理方面有一定差距,特別是在主軸加工的關鍵工序、關鍵零件的制造技術也有一定差距。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水平。在高速電主軸電機所用原材料上,我國目前相當落后,參數方面與國外先水平有一定差距。電主軸電機設計方面,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。雖然我國已經能夠生產高精度高轉速的P4級角接觸軸承,但形成批量產品的廠家很少,軸承的精度和質量還不是很穩定。決定電主軸zui高轉速和剛性的指標主要是軸承的dmn值(軸承節圓直徑與轉速的乘積),國外目前已經達到了250萬,而國內只能達到200萬,與國外相差甚遠。國外現在普遍采用陶瓷球軸承,而我國的陶瓷球軸承無論是產量還是質量還都不穩定,這也制約著我國電主軸的發展,影響了我國電主軸的質量和壽命。在軸承潤滑材料和技術方面,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的鋰基脂,國內的研制還處很落后,一般都選用進口產品。油霧潤滑電主軸在國內使用zui為廣泛,但由于對環境有一定的污染,國外已不再使用,而采用油氣潤滑,根據國外的發展趨勢,國內油霧潤滑電主軸也將會逐步被淘汰。油氣潤滑系統具有很多優點,但價格昂貴,國內生產點又少,技術指標也和國外相差甚遠,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的發展。因此,只有大力加強我國高速、高精度軸承及其相關技術的發展,才能使高速電主軸得到快速的發展。
               
                在電主軸的其他相關技術方面,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能夠小批量生產,并且已經裝備了一些國產機床。但加工中心電主軸需要采用閉環矢量控制變頻器進行驅動,而我國開發出的的閉環矢量控制變頻器,性能還不穩定。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發展。加工中心電主軸所使用的磁性編碼器國內不能生產,只能選用進口。我國雖然開發出了zui高轉速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用。國內數控加工中心的上位機基本上是西門子和發那科系統,由于技術保密,這些公司不提供通信協議。因此,國內開發的加工中心電主軸驅動系統只能提供模擬接口,不能提供數字接口,這更加影響了加工中心電主軸在國內數控機床中的應用。只有加大相關技術的發展,國內高速電主軸才能得到相應的發展。
               
                隨著我國經濟的快速發展,中國逐步成為WORD制造業的基地,制造業正朝著高速、高效、高精度和高智能化方向發展,高速電主軸的應用范圍將越來越廣泛。同時,加大高速電主軸開發技術和制造的發展,提高產品競爭,才能更好的促進我國制造業的發展,使中國真正成為WORD制造業的中心。

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