電主軸成數(shù)控機床 國產(chǎn)化鳴警
中國數(shù)控機床行業(yè)的發(fā)展令人矚目，據(jù)中國機床工具工業(yè)協(xié)會提供的數(shù)據(jù)，2006年數(shù)控機床的產(chǎn)量達85756臺，同比增長32.7%。但令人遺憾的是，作為數(shù)控機床關鍵功能部件的電主軸，無論是從產(chǎn)品品種、技術水平、可靠性和產(chǎn)業(yè)化程度等方面均與國外有一定差距，電主軸國產(chǎn)化率低，中高端產(chǎn)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(chǎn)化率，一味依靠進口，不僅會浪費大量外匯，而且會制約國產(chǎn)數(shù)控機床的發(fā)展。
數(shù)控機床的“芯片”
傳統(tǒng)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(xiàn)了電機、主軸的一體化功能。
與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有十分明顯的優(yōu)勢。由于主軸由內裝式電機直接驅動，省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)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(xiàn)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(chǎn)品。電主軸實際是指電主軸系統(tǒng)，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(chǎn)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(yōu)劣都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術水平和性能，也制約著主機的發(fā)展。
因此，有專家認為，電主軸在數(shù)控機床中的作用類似電腦中的芯片，將電主軸稱為數(shù)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(chǎn)業(yè)統(tǒng)稱為“中場”產(chǎn)業(yè)，取足球“中場”寓意，表明其重要位置。
電主軸系統(tǒng)是數(shù)控機床三大高新技術之一（高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅動）。隨著數(shù)控技術及切削刀具的飛躍發(fā)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(fā)展，電主軸已成為最能適宜上述高性能工況的數(shù)控機床核心功能部件之一，尤其是在多軸聯(lián)動、多面體加工、并聯(lián)機床、復合加工機床等諸多先進產(chǎn)品中，電主軸的優(yōu)異特點是機械主軸單元不能替代的。
電主軸國產(chǎn)化任重而道遠
與數(shù)控機床的長足發(fā)展相比，國產(chǎn)電主軸的發(fā)展明顯滯后，已引起了業(yè)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(yè)協(xié)會召開的“數(shù)控機床關鍵功能部件產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展座談會”。會上機床工具工業(yè)協(xié)會根據(jù)國內數(shù)控機床的需求，對到會各生產(chǎn)主導單位提出強化發(fā)展要求：到2010年用于數(shù)控機床的電主軸單元總產(chǎn)量達到1萬臺套。據(jù)到會各主軸生產(chǎn)主導單位估計，如國家發(fā)改委動用國債資金強化支持，到2010年可能擴產(chǎn)到6000臺套，其余缺口尚需通過進口來解決。隨著數(shù)控機床使用電主軸的比例的增加，數(shù)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(chǎn)的電主軸生產(chǎn)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(yè)就已經(jīng)開始研究生產(chǎn)電主軸。目前國內電主軸的生產(chǎn)以洛陽軸研科技公司最為著名，它生產(chǎn)的內孔磨削用電主軸已有40多年的歷史。
我國大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車床實用型電主軸的開發(fā)始于1998年。迄今為止，洛陽軸研科技公司已能開發(fā)生產(chǎn)8大類，20個系列，200多種電主軸產(chǎn)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，5萬r/min。它開發(fā)的加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國產(chǎn)高速機床和國產(chǎn)并聯(lián)機床配套投入使用。
與此同時，北京機床研究所也相繼開發(fā)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(fā)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(shù)家企業(yè)相繼投入開發(fā)電主軸單元的行列。
雖然近年來國產(chǎn)電主軸的開發(fā)取得了很大的進步，但與國外產(chǎn)品相比較，國產(chǎn)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(chǎn)的高轉速、高精度數(shù)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(chǎn)化難點何在？
對于電主軸生產(chǎn)是否存在技術瓶頸，有不少業(yè)內專家發(fā)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(yè)擁有了其中一種技術，就可以生產(chǎn)電主軸這種產(chǎn)品。因為與其他技術相對應的產(chǎn)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(chǎn)廠家通用的做法。就是世界頂級的電主軸生產(chǎn)商也不具備全套技術，他們也同樣外購產(chǎn)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(chǎn)化率低指的是高端加工中心、數(shù)控銑床等用電主軸國產(chǎn)化率低，在常規(guī)磨用電主軸方面，幾乎是國內產(chǎn)品一統(tǒng)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(yōu)勢，除非特殊要求，國外產(chǎn)品很少。
對中、高端數(shù)控機床電主軸，國內起步太晚，也未引起國家、企業(yè)的足夠的重視。等我們看清發(fā)展趨勢時，國外已大大領先，并給國產(chǎn)技術發(fā)展設置障礙、卡“脖子”。如，國產(chǎn)控制系統(tǒng)不過關，要買國外控制系統(tǒng)就必須買國外電機，不買國外電機，就不開放數(shù)字量接口，只能是模擬量。國外對國內電主軸發(fā)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(jù)了解，國內企業(yè)至今未開發(fā)出可實用的磁性編碼器。國內企業(yè)只好用進口的，但無法與國外數(shù)控系統(tǒng)接口，只能實現(xiàn)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(chǎn)品量尚未突破兩位數(shù)。
在高速精密軸承方面，國產(chǎn)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(wěn)定。國內電機設計技術偏保守，同功率時，國產(chǎn)電主軸體積大。
電主軸國產(chǎn)化需要國家支持
徐同申建議，國家應重視電主軸發(fā)展，加強研發(fā)投入。
由機床工具協(xié)會組織，機床廠、數(shù)控系統(tǒng)廠家、電主軸制造企業(yè)、大學等聯(lián)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(tǒng)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(chǎn)。
要鼓勵支持以專業(yè)廠家生產(chǎn)的高質量的電主軸取代各機床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)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(chǎn)權，可供用戶使用選擇、批量生產(chǎn)、穩(wěn)定供貨的優(yōu)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(shù)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(tǒng)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(jīng)理張勁松認為，國內電主軸用戶的觀念需更新?，F(xiàn)在主要用戶不認同國產(chǎn)品牌，一些用戶、主機廠由于對國產(chǎn)電主軸質量可靠性不信任，指名選配國外產(chǎn)品，國產(chǎn)電主軸難以批量生產(chǎn)，制約了電主軸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。當然電主軸生產(chǎn)企業(yè)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(jīng)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(jīng)驗、摸索，對中低端電主軸尚可，安全系數(shù)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(jīng)驗就不行了。
此前一位業(yè)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(xié)，依靠低廉勞動力來獲取利潤，初期可能實現(xiàn)。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(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)化的政策支持，讓電主軸也享受數(shù)控機床主機享有的稅收優(yōu)惠支持。記者了解到，在數(shù)控機床重大專項中，國家發(fā)改委已經(jīng)開始考慮電主軸等關鍵功能部件的發(fā)展問題。
數(shù)控機床的“芯片”
傳統(tǒng)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(xiàn)了電機、主軸的一體化功能。
與傳統(tǒng)機床主軸相比，電主軸具有十分明顯的優(yōu)勢。由于主軸由內裝式電機直接驅動，省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)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(xiàn)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(chǎn)品。電主軸實際是指電主軸系統(tǒng)，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(chǎn)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(yōu)劣都直接決定和影響著數(shù)控機床整機的技術水平和性能，也制約著主機的發(fā)展。
因此，有專家認為，電主軸在數(shù)控機床中的作用類似電腦中的芯片，將電主軸稱為數(shù)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(chǎn)業(yè)統(tǒng)稱為“中場”產(chǎn)業(yè)，取足球“中場”寓意，表明其重要位置。
電主軸系統(tǒng)是數(shù)控機床三大高新技術之一（高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅動）。隨著數(shù)控技術及切削刀具的飛躍發(fā)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(fā)展，電主軸已成為最能適宜上述高性能工況的數(shù)控機床核心功能部件之一，尤其是在多軸聯(lián)動、多面體加工、并聯(lián)機床、復合加工機床等諸多先進產(chǎn)品中，電主軸的優(yōu)異特點是機械主軸單元不能替代的。
電主軸國產(chǎn)化任重而道遠
與數(shù)控機床的長足發(fā)展相比，國產(chǎn)電主軸的發(fā)展明顯滯后，已引起了業(yè)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(yè)協(xié)會召開的“數(shù)控機床關鍵功能部件產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展座談會”。會上機床工具工業(yè)協(xié)會根據(jù)國內數(shù)控機床的需求，對到會各生產(chǎn)主導單位提出強化發(fā)展要求：到2010年用于數(shù)控機床的電主軸單元總產(chǎn)量達到1萬臺套。據(jù)到會各主軸生產(chǎn)主導單位估計，如國家發(fā)改委動用國債資金強化支持，到2010年可能擴產(chǎn)到6000臺套，其余缺口尚需通過進口來解決。隨著數(shù)控機床使用電主軸的比例的增加，數(shù)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(chǎn)的電主軸生產(chǎn)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(yè)就已經(jīng)開始研究生產(chǎn)電主軸。目前國內電主軸的生產(chǎn)以洛陽軸研科技公司最為著名，它生產(chǎn)的內孔磨削用電主軸已有40多年的歷史。
我國大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車床實用型電主軸的開發(fā)始于1998年。迄今為止，洛陽軸研科技公司已能開發(fā)生產(chǎn)8大類，20個系列，200多種電主軸產(chǎn)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，5萬r/min。它開發(fā)的加工中心、高速銑床和車床用電主軸，已與國產(chǎn)高速機床和國產(chǎn)并聯(lián)機床配套投入使用。
與此同時，北京機床研究所也相繼開發(fā)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(fā)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(shù)家企業(yè)相繼投入開發(fā)電主軸單元的行列。
雖然近年來國產(chǎn)電主軸的開發(fā)取得了很大的進步，但與國外產(chǎn)品相比較，國產(chǎn)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(chǎn)的高轉速、高精度數(shù)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(chǎn)化難點何在？
對于電主軸生產(chǎn)是否存在技術瓶頸，有不少業(yè)內專家發(fā)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(yè)擁有了其中一種技術，就可以生產(chǎn)電主軸這種產(chǎn)品。因為與其他技術相對應的產(chǎn)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(chǎn)廠家通用的做法。就是世界頂級的電主軸生產(chǎn)商也不具備全套技術，他們也同樣外購產(chǎn)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(chǎn)化率低指的是高端加工中心、數(shù)控銑床等用電主軸國產(chǎn)化率低，在常規(guī)磨用電主軸方面，幾乎是國內產(chǎn)品一統(tǒng)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(yōu)勢，除非特殊要求，國外產(chǎn)品很少。
對中、高端數(shù)控機床電主軸，國內起步太晚，也未引起國家、企業(yè)的足夠的重視。等我們看清發(fā)展趨勢時，國外已大大領先，并給國產(chǎn)技術發(fā)展設置障礙、卡“脖子”。如，國產(chǎn)控制系統(tǒng)不過關，要買國外控制系統(tǒng)就必須買國外電機，不買國外電機，就不開放數(shù)字量接口，只能是模擬量。國外對國內電主軸發(fā)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(jù)了解，國內企業(yè)至今未開發(fā)出可實用的磁性編碼器。國內企業(yè)只好用進口的，但無法與國外數(shù)控系統(tǒng)接口，只能實現(xiàn)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(chǎn)品量尚未突破兩位數(shù)。
在高速精密軸承方面，國產(chǎn)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(wěn)定。國內電機設計技術偏保守，同功率時，國產(chǎn)電主軸體積大。
電主軸國產(chǎn)化需要國家支持
徐同申建議，國家應重視電主軸發(fā)展，加強研發(fā)投入。
由機床工具協(xié)會組織，機床廠、數(shù)控系統(tǒng)廠家、電主軸制造企業(yè)、大學等聯(lián)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(tǒng)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(chǎn)。
要鼓勵支持以專業(yè)廠家生產(chǎn)的高質量的電主軸取代各機床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)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(chǎn)權，可供用戶使用選擇、批量生產(chǎn)、穩(wěn)定供貨的優(yōu)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(shù)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(tǒng)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(jīng)理張勁松認為，國內電主軸用戶的觀念需更新?，F(xiàn)在主要用戶不認同國產(chǎn)品牌，一些用戶、主機廠由于對國產(chǎn)電主軸質量可靠性不信任，指名選配國外產(chǎn)品，國產(chǎn)電主軸難以批量生產(chǎn)，制約了電主軸產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。當然電主軸生產(chǎn)企業(yè)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(jīng)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(jīng)驗、摸索，對中低端電主軸尚可，安全系數(shù)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(jīng)驗就不行了。
此前一位業(yè)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(xié)，依靠低廉勞動力來獲取利潤，初期可能實現(xiàn)。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(chǎn)業(yè)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(chǎn)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(chǎn)化的政策支持，讓電主軸也享受數(shù)控機床主機享有的稅收優(yōu)惠支持。記者了解到，在數(shù)控機床重大專項中，國家發(fā)改委已經(jīng)開始考慮電主軸等關鍵功能部件的發(fā)展問題。
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