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我國高速電主軸的開發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)近50年，國產(chǎn)電主軸已經(jīng)大量裝備在我國全自動軸承內(nèi)表面磨床上。國內(nèi)高檔的高速加工中心主軸多為進(jìn)口產(chǎn)品，我國開發(fā)生產(chǎn)的加工中心電主軸，已經(jīng)小批量裝備國產(chǎn)機(jī)床。
機(jī)床主軸是機(jī)床的核心功能部件，傳統(tǒng)機(jī)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(zhuǎn)而進(jìn)行工作的。電主軸（圖1）又稱內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元，其主要特征是電機(jī)置于主軸內(nèi)部，通過驅(qū)動電源直接驅(qū)動主軸進(jìn)行工作。由于電主軸將機(jī)床主軸的高精度與高速電機(jī)的電磁功能有機(jī)地結(jié)合在一起，省去復(fù)雜的中間傳動環(huán)節(jié)，具有調(diào)速范圍廣、振動噪聲小，便于控制，能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)停、準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等功能，不僅擁有極高的生產(chǎn)效率，而且能顯著地提高零件的表面質(zhì)量和加工精度。在機(jī)械制造業(yè)不斷向高速、高精度、高智能化發(fā)展的今天，高速高精度電主軸已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。
高速電主軸（圖2）起源于內(nèi)表面磨削行業(yè)，在以內(nèi)表面磨加工為主導(dǎo)的軸承和汽車零部件制造業(yè)得到了廣泛的使用。多年來，國內(nèi)有關(guān)工程技術(shù)人員一直在堅(jiān)持不懈地努力攻克技術(shù)難關(guān)，先后開發(fā)出多代一系列用于內(nèi)表面磨削的電主軸，轉(zhuǎn)速從3000～240000r/min，功率從0.2kW～20kW。目前，國產(chǎn)電主軸已經(jīng)大量裝備了我國全自動軸承內(nèi)表面磨床，使零件內(nèi)表面磨削線速度由35M/S提升到75M/S，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了產(chǎn)品成本，使我國成為普通軸承和汽車零部件的生產(chǎn)大國。近年來，隨著油氣潤滑技術(shù)、恒溫冷卻和陶瓷球軸承等新技術(shù)的發(fā)展，為高速電主軸技術(shù)水平的提高創(chuàng)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(fā)展。
隨著我國制造業(yè)的快速發(fā)展，機(jī)床市場極為火爆。從2002年起，我國已連續(xù)3年保持了世界第一機(jī)床消費(fèi)大國的地位，特別是數(shù)控機(jī)床，年增長率在30％以上。高速加工中心主軸作為數(shù)控機(jī)床的核心功能部件，也得到了長足的應(yīng)用和發(fā)展。由于加工中心用電主軸（圖3）涉及電主軸高速旋轉(zhuǎn)、潤滑技術(shù)、驅(qū)動控制、準(zhǔn)停、準(zhǔn)速、準(zhǔn)位等機(jī)械與電氣多方面技術(shù)，因此具有較大的技術(shù)難度，目前國內(nèi)高檔的高速加工中心主軸多為進(jìn)口國外產(chǎn)品。我國也非常重視加工中心電主軸的發(fā)展，國家在“九五”和“十五”中，設(shè)立了科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目來開發(fā)研制加工中心用內(nèi)裝式電主軸。目前我國已開發(fā)生產(chǎn)了轉(zhuǎn)速從3000-120000r/min，最高轉(zhuǎn)速到24000r/min，最大扭矩達(dá)到200N·m的加工中心電主軸，已經(jīng)小批量裝備國產(chǎn)機(jī)床?，F(xiàn)在，加工中心電主軸正向低速大扭矩等方向發(fā)展，使電主軸在能夠?qū)崿F(xiàn)較高轉(zhuǎn)速的同時(shí)，滿足低速段有盡可能大的輸出扭矩；以滿足在同一臺機(jī)床上進(jìn)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(fā)展，以縮短輔助時(shí)間，提高效率。
國內(nèi)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(yè)。電主軸與數(shù)控銑、雕刻機(jī)、切割機(jī)及并聯(lián)機(jī)床相配套，進(jìn)行高速銑削和雕刻加工，適用于常規(guī)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(yè)的小孔進(jìn)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(nèi)鉆、銑電主軸最高轉(zhuǎn)速已達(dá)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(jī)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)快速換刀功能。由于國產(chǎn)電主軸具有價(jià)格便宜、維護(hù)方便和維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛替代進(jìn)口產(chǎn)品，大量裝備國內(nèi)機(jī)床，同時(shí)也促進(jìn)了中國電路板制造業(yè)的發(fā)展。
在高速離心機(jī)行業(yè)，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(yàn)等高速離心領(lǐng)域。大大提高了離心速度，增強(qiáng)了離心效果，可提高離心物體的細(xì)化度和分離精度，提高了離心效率，廣泛用于化工行業(yè)和食品加工行業(yè)，是新一代高速離心機(jī)的替代產(chǎn)品。
在車加工行業(yè)，使用電主軸最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到12000r/min，并且在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)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(shù)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(chǎn)效率。
在其他制造行業(yè)，如精密銅管加工行業(yè)，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(diào)、冰箱等的熱交換器，為了節(jié)省銅材和增加散熱面積，銅管往往被擠壓成內(nèi)螺紋形，而擠壓內(nèi)螺紋主要依靠高速旋輾用電主軸。以前國內(nèi)只有少量從日本和芬蘭進(jìn)口的高速旋輾用電主軸，價(jià)格非常昂貴，維護(hù)也不方便。我國從1997年開始開發(fā)生產(chǎn)高速旋輾用電主軸（圖5），已形成了比較完整的系列，現(xiàn)在已經(jīng)基本占領(lǐng)了國內(nèi)精密銅管加工行業(yè)。電主軸采用陶瓷球軸承支承，采用油氣潤滑，其最高轉(zhuǎn)速可達(dá)到40000r/min，目前國內(nèi)采用的轉(zhuǎn)速一般為35000r/min，而世界其他先進(jìn)國家使用的轉(zhuǎn)速大多停留在24000r/min，生產(chǎn)效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們。我國高速旋輾用電主軸從無到有，到現(xiàn)在已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，我國的精密銅管加工行業(yè)也從比較落后到成為世界最大的精密銅管加工國，高速電主軸的應(yīng)用和發(fā)展起到了非常重要的作用?，F(xiàn)在，我國高速旋輾用電主軸憑借著價(jià)格低、技術(shù)先進(jìn)、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，每年生產(chǎn)銷售數(shù)百套，并且批量出口到國外。
高速電主軸替代電動機(jī)和精密齒輪增速器組成的高速動力源來拖帶試驗(yàn)機(jī)是高速電主軸的又一大用途。不論是在軍用還是民用領(lǐng)域，高速電主軸已廣泛用于高速深冷液氫軸承試驗(yàn)機(jī)、高速高溫燃汽輪機(jī)點(diǎn)火裝置試驗(yàn)機(jī)、高速卡盤試驗(yàn)機(jī)以及石油行業(yè)的高速密封件試驗(yàn)機(jī)。其實(shí)，高速電主軸不僅僅應(yīng)用于以上方面，在需要高速旋轉(zhuǎn)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(yīng)用，從而促進(jìn)了我國制造業(yè)的快速發(fā)展。但是，同國外高速電主軸先進(jìn)制造廠商相比，我們還有相當(dāng)大的差距，我國高速電主軸的開發(fā)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)還需要進(jìn)一步的發(fā)展，目前的差距和發(fā)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(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)有近50年，但始終沒有一個統(tǒng)一的國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。各個生產(chǎn)廠根據(jù)自己的需要開發(fā)生產(chǎn)各自的電主軸，在電主軸系列、檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、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(shí)造成很大的不便，在數(shù)控機(jī)床電主軸方面，多數(shù)情況下，用戶只能定做，交貨期長，價(jià)格高，質(zhì)量不穩(wěn)定。目前，國家有關(guān)管理部門正在制定相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，這將有力地促進(jìn)我國高速電主軸行業(yè)的發(fā)展。
其次，由于我國基礎(chǔ)工業(yè)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(guān)鍵工序、關(guān)鍵零件的制造技術(shù)也有一定差距。由于受到機(jī)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進(jìn)水平。在高速電主軸電機(jī)所用原材料上，我國目前相當(dāng)落后，參數(shù)方面與國外先進(jìn)水平有一定差距。電主軸電機(jī)設(shè)計(jì)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(jī)功率與國內(nèi)電主軸電機(jī)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(jīng)能夠生產(chǎn)高精度高轉(zhuǎn)速的P4級角接觸軸承，但形成批量產(chǎn)品的廠家很少，軸承的精度和質(zhì)量還不是很穩(wěn)定。決定電主軸最高轉(zhuǎn)速和剛性的指標(biāo)主要是軸承的dmn值（軸承節(jié)圓直徑與轉(zhuǎn)速的乘積），國外目前已經(jīng)達(dá)到了250萬，而國內(nèi)只能達(dá)到200萬，與國外相差甚遠(yuǎn)。國外現(xiàn)在普遍采用陶瓷球軸承，而我國的陶瓷球軸承無論是產(chǎn)量還是質(zhì)量還都不穩(wěn)定，這也制約著我國電主軸的發(fā)展，影響了我國電主軸的質(zhì)量和壽命。在軸承潤滑材料和技術(shù)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(chǔ)的鋰基脂，國內(nèi)的研制還處很落后，一般都選用進(jìn)口產(chǎn)品。油霧潤滑電主軸在國內(nèi)使用最為廣泛，但由于對環(huán)境有一定的污染，國外已不再使用，而采用油氣潤滑，根據(jù)國外的發(fā)展趨勢，國內(nèi)油霧潤滑電主軸也將會逐步被淘汰。油氣潤滑系統(tǒng)具有很多優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格昂貴，國內(nèi)生產(chǎn)點(diǎn)又少，技術(shù)指標(biāo)也和國外相差甚遠(yuǎn)，同時(shí)對電主軸軸承運(yùn)行時(shí)需要的實(shí)際供油量，我們還處在摸索階段，這也制約著電主軸技術(shù)的發(fā)展。因此，只有大力加強(qiáng)我國高速、高精度軸承及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，才能使高速電主軸得到快速的發(fā)展。
在電主軸的其他相關(guān)技術(shù)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(jīng)能夠小批量生產(chǎn)，并且已經(jīng)裝備了一些國產(chǎn)機(jī)床。但加工中心電主軸需要采用閉環(huán)矢量控制變頻器進(jìn)行驅(qū)動，而我國開發(fā)出的的閉環(huán)矢量控制變頻器，性能還不穩(wěn)定。如果采用國外的變頻器，大多要采用國外的電機(jī)配套，我們的電主軸就沒有了自己的技術(shù)發(fā)展。加工中心電主軸所使用的磁性編碼器國內(nèi)不能生產(chǎn)，只能選用進(jìn)口。我國雖然開發(fā)出了最高轉(zhuǎn)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(jìn)口。特別是國內(nèi)還沒有能夠達(dá)到24000r/min的刀具，所以這種電主軸還得不到實(shí)際應(yīng)用。國內(nèi)數(shù)控加工中心的上位機(jī)基本上是西門子和發(fā)那科系統(tǒng)，由于技術(shù)保密，這些公司不提供通信協(xié)議。因此，國內(nèi)開發(fā)的加工中心電主軸驅(qū)動系統(tǒng)只能提供模擬接口，不能提供數(shù)字接口，這更加影響了加工中心電主軸在國內(nèi)數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用。只有加大相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)高速電主軸才能得到相應(yīng)的發(fā)展。
隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國逐步成為世界制造業(yè)的基地，制造業(yè)正朝著高速、高效、高精度和高智能化方向發(fā)展，高速電主軸的應(yīng)用范圍將越來越廣泛。同時(shí)，加大高速電主軸開發(fā)技術(shù)和制造的發(fā)展，提高產(chǎn)品競爭，才能更好的促進(jìn)我國制造業(yè)的發(fā)展，使中國真正成為世界制造業(yè)的中心。
