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數(shù)控機(jī)床的“芯片”
日期 :2017-10-17 14:39:06
中國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的發(fā)展令人矚目，據(jù)中國(guó)機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)提供的數(shù)據(jù)，2006年數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量達(dá)85756臺(tái)，同比增長(zhǎng)32.7%。但令人遺憾的是，作為數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件的電主軸，無(wú)論是從產(chǎn)品品種、技術(shù)水平、可靠性和產(chǎn)業(yè)化程度等方面均與國(guó)外有一定差距，電主軸國(guó)產(chǎn)化率低，中高端產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口。對(duì)此，有關(guān)專(zhuān)家指出，如果不提高電主軸國(guó)產(chǎn)化率，一味依靠進(jìn)口，不僅會(huì)浪費(fèi)大量外匯，而且會(huì)制約國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。
數(shù)控機(jī)床的“芯片”
傳統(tǒng)機(jī)床主軸是通過(guò)傳動(dòng)裝置帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)而工作的，電主軸的主要特點(diǎn)是將電機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過(guò)驅(qū)動(dòng)電源直接驅(qū)動(dòng)主軸進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)、主軸的一體化功能。
與傳統(tǒng)機(jī)床主軸相比，電主軸具有十分明顯的優(yōu)勢(shì)。由于主軸由內(nèi)裝式電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，省去了皮帶、齒輪、聯(lián)軸節(jié)等中間變速和傳動(dòng)裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、效率高、噪聲低、振動(dòng)小和精度高等特點(diǎn)。而且利用交流變頻技術(shù)，電主軸可以在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速，以適應(yīng)機(jī)床工作時(shí)各種工況和負(fù)載變化的需要。
電主軸是將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的高新技術(shù)產(chǎn)品。電主軸實(shí)際是指電主軸系統(tǒng)，由電主軸、驅(qū)動(dòng)控制器、編碼器、潤(rùn)滑裝置、冷卻裝置等組成。國(guó)產(chǎn)電主軸的價(jià)位從幾萬(wàn)元到十幾萬(wàn)元不等，電主軸技術(shù)水平的高低、性能的優(yōu)劣都直接決定和影響著數(shù)控機(jī)床整機(jī)的技術(shù)水平和性能，也制約著主機(jī)的發(fā)展。
因此，有專(zhuān)家認(rèn)為，電主軸在數(shù)控機(jī)床中的作用類(lèi)似電腦中的芯片，將電主軸稱(chēng)為數(shù)控機(jī)床的“芯片”。也有日本學(xué)者將包括電主軸在內(nèi)的關(guān)鍵功能部件產(chǎn)業(yè)統(tǒng)稱(chēng)為“中場(chǎng)”產(chǎn)業(yè)，取足球“中場(chǎng)”寓意，表明其重要位置。
電主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床三大高新技術(shù)之一(高速電主軸、數(shù)控系統(tǒng)、送給驅(qū)動(dòng))。隨著數(shù)控技術(shù)及切削刀具的飛躍發(fā)展，越來(lái)越多的機(jī)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(jī)床核心功能部件之一，尤其是在多軸聯(lián)動(dòng)、多面體加工、并聯(lián)機(jī)床、復(fù)合加工機(jī)床等諸多先進(jìn)產(chǎn)品中，電主軸的優(yōu)異特點(diǎn)是機(jī)械主軸單元不能替代的。
電主軸國(guó)產(chǎn)化任重而道遠(yuǎn)
與數(shù)控機(jī)床的長(zhǎng)足發(fā)展相比，國(guó)產(chǎn)電主軸的發(fā)展明顯滯后，已引起了業(yè)內(nèi)以及國(guó)家相關(guān)部委的關(guān)注。
此前，記者曾參加了機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)召開(kāi)的“數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵功能部件產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展座談會(huì)”。會(huì)上機(jī)床工具工業(yè)協(xié)會(huì)根據(jù)國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床的需求，對(duì)到會(huì)各生產(chǎn)主導(dǎo)單位提出強(qiáng)化發(fā)展要求：到2010年用于數(shù)控機(jī)床的電主軸單元總產(chǎn)量達(dá)到1萬(wàn)臺(tái)套。據(jù)到會(huì)各主軸生產(chǎn)主導(dǎo)單位估計(jì)，如國(guó)家發(fā)改委動(dòng)用國(guó)債資金強(qiáng)化支持，到 2010年可能擴(kuò)產(chǎn)到6000臺(tái)套，其余缺口尚需通過(guò)進(jìn)口來(lái)解決。隨著數(shù)控機(jī)床使用電主軸的比例的增加，數(shù)控機(jī)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(chǎng)的主力軍。
面對(duì)如此之大的電主軸需求市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)的電主軸生產(chǎn)卻沒(méi)有跟上去。原因何在？其實(shí)早在20世紀(jì)60年代，我國(guó)的軸承行業(yè)就已經(jīng)開(kāi)始研究生產(chǎn)電主軸。目前國(guó)內(nèi)電主軸的生產(chǎn)以洛陽(yáng)軸研科技公司最為著名，它生產(chǎn)的內(nèi)孔磨削用電主軸已有40多年的歷史。
我國(guó)大型數(shù)控銑、加工中心和數(shù)控車(chē)床實(shí)用型電主軸的開(kāi)發(fā)始于1998年。迄今為止，洛陽(yáng)軸研科技公司已能開(kāi)發(fā)生產(chǎn)8大類(lèi)，20個(gè)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(dá)外徑318毫米，扭矩200Nm，小型號(hào)外徑80毫米，50000r/min。它開(kāi)發(fā)的加工中心、高速銑床和車(chē)床用電主軸，已與國(guó)產(chǎn)高速機(jī)床和國(guó)產(chǎn)并聯(lián)機(jī)床配套投入使用。
與此同時(shí)，北京機(jī)床研究所也相繼開(kāi)發(fā)出用日本 FUNAC電機(jī)組裝的20000r/min、24000r/min電主軸。北京機(jī)電研究院、上海第二機(jī)床廠等單位，利用德國(guó)REXROTH的電機(jī)組裝成轉(zhuǎn)速高于10000r/min的電主軸。北京第一機(jī)床廠和日本大隈合作也開(kāi)發(fā)出轉(zhuǎn)速高于10000r/min的電主軸。近期又有漢川機(jī)床廠，濟(jì)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(kāi)發(fā)電主軸單元的行列。
雖然近年來(lái)國(guó)產(chǎn)電主軸的開(kāi)發(fā)取得了很大的進(jìn)步，但與國(guó)外產(chǎn)品相比較，國(guó)產(chǎn)的電主軸無(wú)論是性能、品種和質(zhì)量都有較大差距，所以目前國(guó)產(chǎn)的高轉(zhuǎn)速、高精度數(shù)控機(jī)床和加工中心所用的電主軸，仍然主要從國(guó)外進(jìn)口。
電主軸國(guó)產(chǎn)化難點(diǎn)何在？
對(duì)于電主軸生產(chǎn)是否存在技術(shù)瓶頸，有不少業(yè)內(nèi)專(zhuān)家發(fā)表了各自看法。有專(zhuān)家在分析了電主軸技術(shù)后認(rèn)為，電主軸的技術(shù)難度并不大。電主軸的確需要的是綜合技術(shù)，但只要一家企業(yè)擁有了其中一種技術(shù)，就可以生產(chǎn)電主軸這種產(chǎn)品。因?yàn)榕c其他技術(shù)相對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，完全可以外購(gòu)。比如軸承廠就可以外購(gòu)電機(jī)，而電機(jī)廠也可以外購(gòu)軸承，這是一些國(guó)外電主軸生產(chǎn)廠家通用的做法。就是世界頂級(jí)的電主軸生產(chǎn)商也不具備全套技術(shù)，他們也同樣外購(gòu)產(chǎn)品或是技術(shù)。
洛陽(yáng)軸研科技公司研究員級(jí)高級(jí)工程師徐同申認(rèn)為，電主軸國(guó)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(guó)產(chǎn)化率低，在常規(guī)磨用電主軸方面，幾乎是國(guó)內(nèi)產(chǎn)品一統(tǒng)天下。對(duì)一般主軸，技術(shù)門(mén)檻相對(duì)較低，國(guó)內(nèi)技術(shù)實(shí)力較雄厚，在電主軸性價(jià)比方面占有優(yōu)勢(shì)，除非特殊要求，國(guó)外產(chǎn)品很少。
對(duì)中、高端數(shù)控機(jī)床電主軸，國(guó)內(nèi)起步太晚，也未引起國(guó)家、企業(yè)的足夠的重視。等我們看清發(fā)展趨勢(shì)時(shí)，國(guó)外已大大領(lǐng)先，并給國(guó)產(chǎn)技術(shù)發(fā)展設(shè)置障礙、卡“脖子”。如，國(guó)產(chǎn)控制系統(tǒng)不過(guò)關(guān)，要買(mǎi)國(guó)外控制系統(tǒng)就必須買(mǎi)國(guó)外電機(jī)，不買(mǎi)國(guó)外電機(jī)，就不開(kāi)放數(shù)字量接口，只能是模擬量。國(guó)外對(duì)國(guó)內(nèi)電主軸發(fā)展進(jìn)行封鎖，我們只能用模擬量與國(guó)外編碼器對(duì)接，高難度動(dòng)作國(guó)內(nèi)電主軸做不出來(lái)。
在編碼器方面，高端電主軸不用國(guó)內(nèi)掌握技術(shù)的光學(xué)編碼器，需要用磁性編碼器。據(jù)了解，國(guó)內(nèi)企業(yè)至今未開(kāi)發(fā)出可實(shí)用的磁性編碼器。國(guó)內(nèi)企業(yè)只好用進(jìn)口的，但無(wú)法與國(guó)外數(shù)控系統(tǒng)接口，只能實(shí)現(xiàn)模擬量控制，如剛性攻絲就無(wú)法進(jìn)行。因此，國(guó)內(nèi)電主軸在使用上受到限制，難以推廣。目前，洛陽(yáng)軸研科技公司高端電主軸實(shí)際產(chǎn)品量尚未突破兩位數(shù)。
在高速精密軸承方面，國(guó)產(chǎn)軸承可靠性與國(guó)外有差距，由于材料質(zhì)量問(wèn)題，引起軸承質(zhì)量不穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)電機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)偏保守，同功率時(shí)，國(guó)產(chǎn)電主軸體積大。
電主軸國(guó)產(chǎn)化需要國(guó)家支持
徐同申建議，國(guó)家應(yīng)重視電主軸發(fā)展，加強(qiáng)研發(fā)投入。
由機(jī)床工具協(xié)會(huì)組織，機(jī)床廠、數(shù)控系統(tǒng)廠家、電主軸制造企業(yè)、大學(xué)等聯(lián)手攻關(guān)，加強(qiáng)電主軸關(guān)鍵技術(shù)研究。如加強(qiáng)高速、高剛度軸承研究、軸承潤(rùn)滑冷卻方式研究、新一代驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研究，此外還要加快電主軸標(biāo)準(zhǔn)化工作。過(guò)去電主軸沒(méi)有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，各廠家自行確定電主軸外形尺寸，造成無(wú)法互換、用戶難以選型，影響電主軸批量生產(chǎn)。
要鼓勵(lì)支持以專(zhuān)業(yè)廠家生產(chǎn)的高質(zhì)量的電主軸取代各機(jī)床廠家自己生產(chǎn)的傳統(tǒng)主軸，電主軸將會(huì)像直線導(dǎo)軌一樣成為機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)部件，使主軸單元成為一個(gè)有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可供用戶使用選擇、批量生產(chǎn)、穩(wěn)定供貨的優(yōu)質(zhì)部件。
河南省先進(jìn)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任李濟(jì)順博士指出，在數(shù)控機(jī)床的幾大關(guān)鍵件中，電主軸是工作裝置，是關(guān)鍵件之一。電主軸實(shí)際上是諸多學(xué)科、眾多高新技術(shù)應(yīng)用的綜合體，它涉及機(jī)械、電子、控制等領(lǐng)域。過(guò)去國(guó)內(nèi)研究不夠，在高精度、高速、大功率方面無(wú)法滿足要求，成為真正的瓶頸。而驅(qū)動(dòng)精度相對(duì)容易提高，機(jī)械系統(tǒng)精度達(dá)不到，再好的驅(qū)動(dòng)精度也不行。他建議，國(guó)家應(yīng)加大投入，重視電主軸基礎(chǔ)技術(shù)研究。
蘇州匯申機(jī)電科技有限公司總經(jīng)理張勁松認(rèn)為，國(guó)內(nèi)電主軸用戶的觀念需更新?，F(xiàn)在主要用戶不認(rèn)同國(guó)產(chǎn)品牌，一些用戶、主機(jī)廠由于對(duì)國(guó)產(chǎn)電主軸質(zhì)量可靠性不信任，指名選配國(guó)外產(chǎn)品，國(guó)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(dāng)然電主軸生產(chǎn)企業(yè)也應(yīng)加大宣傳力度，重視與用戶溝通。他認(rèn)為，還需解決好理論與實(shí)際的結(jié)合問(wèn)題。如用軟件算出來(lái)的剛性曲線如何利用。一些經(jīng)驗(yàn)豐富的人不會(huì)用軟件分析，搞軟件的不知如何用這些分析結(jié)果。憑經(jīng)驗(yàn)、摸索，對(duì)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(biāo)有可能在極限值位置，沒(méi)有基礎(chǔ)理論研究，想憑經(jīng)驗(yàn)就不行了。
此前一位業(yè)內(nèi)人士指出，電主軸看似簡(jiǎn)單，實(shí)則不易。入門(mén)容易，搞精不易。如果僅僅是精密加工、裝配，其他依靠外購(gòu)?fù)鈪f(xié)，依靠低廉勞動(dòng)力來(lái)獲取利潤(rùn)，初期可能實(shí)現(xiàn)。但在電主軸的核心競(jìng)爭(zhēng)力方面，無(wú)法與國(guó)外公司抗衡，簡(jiǎn)單的拿來(lái)主義，不掌握核心、關(guān)鍵技術(shù)，就會(huì)受制于人，電主軸產(chǎn)業(yè)只能永遠(yuǎn)跟在別人后面。正是由于在高速軸承技術(shù)、精密加工技術(shù)、電機(jī)技術(shù)、驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)上與國(guó)外先進(jìn)水平有差距，才影響了國(guó)產(chǎn)電主軸的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
此外還有專(zhuān)家建議，政府要加大對(duì)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(lì)電主軸國(guó)產(chǎn)化的政策支持，讓電主軸也享受數(shù)控機(jī)床主機(jī)享有的稅收優(yōu)惠支持。記者了解到，在數(shù)控機(jī)床重大專(zhuān)項(xiàng)中，國(guó)家發(fā)改委已經(jīng)開(kāi)始考慮電主軸等關(guān)鍵功能部件的發(fā)展問(wèn)題。
