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數控機床的“芯片”
日期 :2017-10-17 14:39:06
中國數控機床行業的發展令人矚目，據中國機床工具工業協會提供的數據，2006年數控機床的產量達85756臺，同比增長32.7%。但令人遺憾的是，作為數控機床關鍵功能部件的電主軸，無論是從產品品種、技術水平、可靠性和產業化程度等方面均與國外有一定差距，電主軸國產化率低，中高端產品主要依靠進口。對此，有關專家指出，如果不提高電主軸國產化率，一味依靠進口，不僅會浪費大量外匯，而且會制約國產數控機床的發展。
數控機床的“芯片”
傳統機床主軸是通過傳動裝置帶動主軸旋轉而工作的，電主軸的主要特點是將電機置于主軸內部，通過驅動電源直接驅動主軸進行工作，實現了電機、主軸的一體化功能。
與傳統機床主軸相比，電主軸具有十分明顯的優勢。由于主軸由內裝式電機直接驅動，省去了皮帶、齒輪、聯軸節等中間變速和傳動裝置，具有結構簡單緊湊、效率高、噪聲低、振動小和精度高等特點。而且利用交流變頻技術，電主軸可以在額定轉速范圍內實現無級變速，以適應機床工作時各種工況和負載變化的需要。
電主軸是將機床主軸與主軸電機融為一體的高新技術產品。電主軸實際是指電主軸系統，由電主軸、驅動控制器、編碼器、潤滑裝置、冷卻裝置等組成。國產電主軸的價位從幾萬元到十幾萬元不等，電主軸技術水平的高低、性能的優劣都直接決定和影響著數控機床整機的技術水平和性能，也制約著主機的發展。
因此，有專家認為，電主軸在數控機床中的作用類似電腦中的芯片，將電主軸稱為數控機床的“芯片”。也有日本學者將包括電主軸在內的關鍵功能部件產業統稱為“中場”產業，取足球“中場”寓意，表明其重要位置。
電主軸系統是數控機床三大高新技術之一(高速電主軸、數控系統、送給驅動)。隨著數控技術及切削刀具的飛躍發展，越來越多的機械制造裝備都在不斷向高速、高精、高效、高智能化發展，電主軸已成為最能適宜上述高性能工況的數控機床核心功能部件之一，尤其是在多軸聯動、多面體加工、并聯機床、復合加工機床等諸多先進產品中，電主軸的優異特點是機械主軸單元不能替代的。
電主軸國產化任重而道遠
與數控機床的長足發展相比，國產電主軸的發展明顯滯后，已引起了業內以及國家相關部委的關注。
此前，記者曾參加了機床工具工業協會召開的“數控機床關鍵功能部件產品創新發展座談會”。會上機床工具工業協會根據國內數控機床的需求，對到會各生產主導單位提出強化發展要求：到2010年用于數控機床的電主軸單元總產量達到1萬臺套。據到會各主軸生產主導單位估計，如國家發改委動用國債資金強化支持，到 2010年可能擴產到6000臺套，其余缺口尚需通過進口來解決。隨著數控機床使用電主軸的比例的增加，數控機床用電主軸將成為電主軸總需求量的主體，從而替代磨用電主軸成為電主軸市場的主力軍。
面對如此之大的電主軸需求市場，國產的電主軸生產卻沒有跟上去。原因何在？其實早在20世紀60年代，我國的軸承行業就已經開始研究生產電主軸。目前國內電主軸的生產以洛陽軸研科技公司最為著名，它生產的內孔磨削用電主軸已有40多年的歷史。
我國大型數控銑、加工中心和數控車床實用型電主軸的開發始于1998年。迄今為止，洛陽軸研科技公司已能開發生產8大類，20個系列，200多種電主軸產品，功率從0.2kW～100kW，加工中心用電主軸大型的可達外徑318毫米，扭矩200Nm，小型號外徑80毫米，50000r/min。它開發的加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國產高速機床和國產并聯機床配套投入使用。
與此同時，北京機床研究所也相繼開發出用日本 FUNAC電機組裝的20000r/min、24000r/min電主軸。北京機電研究院、上海第二機床廠等單位，利用德國REXROTH的電機組裝成轉速高于10000r/min的電主軸。北京第一機床廠和日本大隈合作也開發出轉速高于10000r/min的電主軸。近期又有漢川機床廠，濟寧博特精密絲杠制造有限公司等數家企業相繼投入開發電主軸單元的行列。
雖然近年來國產電主軸的開發取得了很大的進步，但與國外產品相比較，國產的電主軸無論是性能、品種和質量都有較大差距，所以目前國產的高轉速、高精度數控機床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國外進口。
電主軸國產化難點何在？
對于電主軸生產是否存在技術瓶頸，有不少業內專家發表了各自看法。有專家在分析了電主軸技術后認為，電主軸的技術難度并不大。電主軸的確需要的是綜合技術，但只要一家企業擁有了其中一種技術，就可以生產電主軸這種產品。因為與其他技術相對應的產品，完全可以外購。比如軸承廠就可以外購電機，而電機廠也可以外購軸承，這是一些國外電主軸生產廠家通用的做法。就是世界頂級的電主軸生產商也不具備全套技術，他們也同樣外購產品或是技術。
洛陽軸研科技公司研究員級高級工程師徐同申認為，電主軸國產化率低指的是高端加工中心、數控銑床等用電主軸國產化率低，在常規磨用電主軸方面，幾乎是國內產品一統天下。對一般主軸，技術門檻相對較低，國內技術實力較雄厚，在電主軸性價比方面占有優勢，除非特殊要求，國外產品很少。
對中、高端數控機床電主軸，國內起步太晚，也未引起國家、企業的足夠的重視。等我們看清發展趨勢時，國外已大大領先，并給國產技術發展設置障礙、卡“脖子”。如，國產控制系統不過關，要買國外控制系統就必須買國外電機，不買國外電機，就不開放數字量接口，只能是模擬量。國外對國內電主軸發展進行封鎖，我們只能用模擬量與國外編碼器對接，高難度動作國內電主軸做不出來。
在編碼器方面，高端電主軸不用國內掌握技術的光學編碼器，需要用磁性編碼器。據了解，國內企業至今未開發出可實用的磁性編碼器。國內企業只好用進口的，但無法與國外數控系統接口，只能實現模擬量控制，如剛性攻絲就無法進行。因此，國內電主軸在使用上受到限制，難以推廣。目前，洛陽軸研科技公司高端電主軸實際產品量尚未突破兩位數。
在高速精密軸承方面，國產軸承可靠性與國外有差距，由于材料質量問題，引起軸承質量不穩定。國內電機設計技術偏保守，同功率時，國產電主軸體積大。
電主軸國產化需要國家支持
徐同申建議，國家應重視電主軸發展，加強研發投入。
由機床工具協會組織，機床廠、數控系統廠家、電主軸制造企業、大學等聯手攻關，加強電主軸關鍵技術研究。如加強高速、高剛度軸承研究、軸承潤滑冷卻方式研究、新一代驅動技術的研究，此外還要加快電主軸標準化工作。過去電主軸沒有統一的標準，各廠家自行確定電主軸外形尺寸，造成無法互換、用戶難以選型，影響電主軸批量生產。
要鼓勵支持以專業廠家生產的高質量的電主軸取代各機床廠家自己生產的傳統主軸，電主軸將會像直線導軌一樣成為機床標準部件，使主軸單元成為一個有自主知識產權，可供用戶使用選擇、批量生產、穩定供貨的優質部件。
河南省先進制造重點實驗室主任李濟順博士指出，在數控機床的幾大關鍵件中，電主軸是工作裝置，是關鍵件之一。電主軸實際上是諸多學科、眾多高新技術應用的綜合體，它涉及機械、電子、控制等領域。過去國內研究不夠，在高精度、高速、大功率方面無法滿足要求，成為真正的瓶頸。而驅動精度相對容易提高，機械系統精度達不到，再好的驅動精度也不行。他建議，國家應加大投入，重視電主軸基礎技術研究。
蘇州匯申機電科技有限公司總經理張勁松認為，國內電主軸用戶的觀念需更新。現在主要用戶不認同國產品牌，一些用戶、主機廠由于對國產電主軸質量可靠性不信任，指名選配國外產品，國產電主軸難以批量生產，制約了電主軸產業化發展。當然電主軸生產企業也應加大宣傳力度，重視與用戶溝通。他認為，還需解決好理論與實際的結合問題。如用軟件算出來的剛性曲線如何利用。一些經驗豐富的人不會用軟件分析，搞軟件的不知如何用這些分析結果。憑經驗、摸索，對中低端電主軸尚可，安全系數取大，影響不大。在高端電主軸方面，速度、功率、剛度指標有可能在極限值位置，沒有基礎理論研究，想憑經驗就不行了。
此前一位業內人士指出，電主軸看似簡單，實則不易。入門容易，搞精不易。如果僅僅是精密加工、裝配，其他依靠外購外協，依靠低廉勞動力來獲取利潤，初期可能實現。但在電主軸的核心競爭力方面，無法與國外公司抗衡，簡單的拿來主義，不掌握核心、關鍵技術，就會受制于人，電主軸產業只能永遠跟在別人后面。正是由于在高速軸承技術、精密加工技術、電機技術、驅動控制技術上與國外先進水平有差距，才影響了國產電主軸的市場競爭力。
此外還有專家建議，政府要加大對電主軸等功能部件的扶持力度，加大科技投入支持、加大技改資金支持、加大鼓勵電主軸國產化的政策支持，讓電主軸也享受數控機床主機享有的稅收優惠支持。記者了解到，在數控機床重大專項中，國家發改委已經開始考慮電主軸等關鍵功能部件的發展問題。
