高速主轴：转动“中国创造”

我国已是世界第4制造大国，特别是近年来，汽车工业的飞速发展，国内的市场需求依然强劲。但是，我国并非制造强国，制造业存在技术力量薄弱、规模小、产品档次较低等问题。

从加工中心的发展来看，必须及时和持续地进行关键功能部件的研究和开发，才能够满足不断发展和变化的市场需求。从主轴单元部件来看，与国外水平相比，差距还是比较大的。作为关键部件的主轴单元功能部件应进行系列化、工程化设计与制造，不断提高主轴的转速等性能指标，使主轴单元成为一个有自主知识产权，可供用户使用选择、批量生产、稳定供货的优质部件。

“十五”课题《高速主轴单元的研究开发与应用》进一步提高了主轴转速，回转精度，主轴的刚度，降低高速下主轴的温升，可为国内主机厂家提供高质量、接近国外先进水平的主轴单元，从而提高国内加工中心的整体水平和在市场上的竞争力，这对扩大国产加工中心的市场占有率和提高加工中心的总体品质有着十分重要的意义。

选择轴承，追求超高速加工

超高速加工作为先进制造技术之一，近20年来在工业发达国家得到了迅猛的发展，在工业各部门特别是航空航天、汽车工业、模具加工和摩托车工业等获得了十分广泛的应用。高速大功率的主轴作为超高速机床的核心功能部件，其性能指标直接决定机床的发展水平，目前它正在向高速、高效、大功率方向发展。近几年，美国、日本、德国、意大利、英国、加拿大和瑞士等工业强国争相投入巨资大力开发此项技术，转速最高达24000r@min，功率最大可达70kW。评价数控机床的高速化的主要指标为提高切削运动的高速化，为实现主轴最高转速和最大进给速度，须开发高速主轴功能部件、高速驱动部件等，研究电主轴技术、直接驱动技术、高速高精控制等技术。

高速主轴单元分结构上分为两类，即分离式高速主轴单元与内装式电主轴单元。分离式高速主轴采用皮带传动，其核心技术主要是主轴单元结构设计，主轴轴承的合理选择、装配及调整、主轴单元冷却系统的设计及主轴单元的试制等。

内装式电主轴采用电机直接驱动方式，其核心技术主要是加工中心高速电主轴结构的设计、HSK型锥柄的拉刀机构的研究、主轴单元中心内冷却功能及高速回转密封技术的研究、电机控制系统研制、主轴电机与主轴轴承的装配调整等。通过对核心技术的研究，取得了一系列科研成果。专家点评：

为达到上述指标，轴承的选择是一项关键技术。目前，加工中心主轴高速理论尚未形成成熟的体系，没有合适的理论和实践数据可以参考。课题组的专家们查阅了大量的国内外相关资料，结合多年的工作实践经验，运用现代设计理论知识和有限元计算分析方法，进行了详细的设计计算，确定了高速主轴单元的整体结构型式。对轴承及整个主轴的寿命、转速、刚度等关键性能指标进行了预期估算。

性能试验，确保质量和稳定性

为了全面考核加工中心用高速电主轴单元质量的稳定性，检验主轴单元的设计及制造装配能否满足用户的要求，是否符合有关标准的规定，本课题对所研制的高速主轴单元样机在主轴实验台上作了大量性能试验；同时，为了其能尽快投入市场，我们对其进行全面的静、动态检测。

本项目成功地研制开发了一系列高速主轴单元，使主轴从机床中单独分离出来，成为一个相对独立的功能部件，易于实现高速度、高精度，促进了机床结构的简单化和模块化。

分离式主轴单元主要用于汽车零件部件的加工。由于其稳定性好，故障率低，满足用户大批量生产的要求，内装式电主轴单元主要用于兵器军工行业，由于转速高、主轴回转精度高，满足细孔与深孔加工及表面光洁度要求较高的零件加工，此外，它装备了汽车、军工、航空航天等领域，取得了良好的经济效益和社会效益。专家点评：

2003年11月22日本项目在北京通过了由中国机械工业联合会组织的专家鉴定和验收。2004年12月30日，攻关成果获得机械工业联合会和中国机械工程学会联合颁发的科学技术进步三等奖。相信随着批量化生产，在不久的将来，可用来装备中国的制造母机，以打破国外的技术垄断。

高速电主轴，革新数控机床技术

课题组研究的一个重要成果，是高速电主轴。电主轴的质量、性能和水平在很大程度上决定了整机的质量、性能和水平，它的价位从几万元到几十万元不等，在机床成本构成中占有一定比例。

传统机床主轴是由电机通过中间变速和传动装置（如皮带、齿轮、联轴节等）驱动主轴旋转而工作的，这样的主轴形式称为分离式和直联式主轴（通称机械主轴）。

与传统机床主轴相比，电主轴具有十分明显的优势。由于主轴由内装式电机直接驱动，省去了皮带、齿轮、联轴节等中间变速和传动装置，具有结构简单紧凑、效率高、噪声低、振动小和精度高等特点。而且，由于利用交流变频技术，电主轴可以在额定转速范围内实现无级变速，以适应机床工作时各种工况和负载变化的需要。

与其它形式的主轴相比，电主轴更易于实现高速化，其动态精度和稳定性更好，可以满足数控机床进行高速切削HSC（High-speedcutting）和精密加工的需要。由于没有中间传动环节的外力作用，电主轴工作时运行更加平稳，没有外来冲击，主轴轴承承受的动负荷较小，延长了其精度寿命。专家点评：

电主轴系有内装式电机直接驱动，更容易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。

由于实现了电机和主轴的一体化、单元化，使电主轴能够由制造商进行系列化、规模化和专业化生产，电主轴以商品的形式进入市场，成为专门的数控机床功能部件之一，以供主机选用，促进了机床模块化和其它技术的发展

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