“經(jīng)過近50年的發(fā)展，國內(nèi)在磨削、中小型雕銑等低端電主軸制造領(lǐng)域已具有絕對的性價比優(yōu)勢，但對于數(shù)控機床和加工中心用中、高端電主軸產(chǎn)品則仍然主要依賴進口�！边@也正是為什么其代表著國家裝備制造業(yè)的水平寫照。

“我們應(yīng)用的新型陶瓷，以高性能氮化硅陶瓷和氧化鋯陶瓷為主。”張珂告訴本報記者，陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和新型陶瓷兩大類，“傳統(tǒng)陶瓷，顧名思義；新型陶瓷則是通過嚴格的成分和生產(chǎn)工藝控制而制造出來的高性能材料�！�

冷冰冰，“高大上”，數(shù)控機床離我們的生活似乎很遠，很多人見到這個詞匯也許是在媒體提到“我國裝備制造產(chǎn)業(yè)升級”時，看到其運轉(zhuǎn)可能是在微信朋友圈別人轉(zhuǎn)發(fā)的視頻中。

數(shù)控機床就是這樣一種“既遠又近”之所在，你看不到它，卻享用著高度機電一體化技術(shù)進步帶來的成果。從微電子芯片制造所需的硅片加工，航空發(fā)動機的曲面葉片，到汽車內(nèi)部復雜的零件，以及更多提供著國家工業(yè)自信和戰(zhàn)略安全的先進制造領(lǐng)域，數(shù)控機床就是這么不可或缺。

數(shù)控機床的主軸系統(tǒng)是其核心功能部件，需要高性能工程陶瓷材料與精密加工等關(guān)鍵技術(shù)的支撐，當然這可不是家里盛菜喝茶用的陶瓷，而是具有比重輕、超耐磨、耐高溫、高彈性模量、高抗壓強度、無磁性、絕緣等強大特征的陶瓷，因此，圍繞工程陶瓷材料在主軸系統(tǒng)中的應(yīng)用也成為這一領(lǐng)域的難點。

沈陽是座有著鮮明東北老工業(yè)基地特色的城市，在這里，沈陽建筑大學交通與機械工程學院“數(shù)控機床主軸系統(tǒng)”團隊，一直致力于高性能數(shù)控機床主軸系統(tǒng)的研發(fā)。

近日，沈陽建筑大學吳玉厚教授科研團隊的發(fā)明專利“用于石材加工的單驅(qū)動可分度復合切削部件”獲得第十六屆中國專利金獎。此原創(chuàng)設(shè)計已被廣泛應(yīng)用于沈陽機床（集團）有限責任公司的高端數(shù)控加工裝備。這也是該�！皵�(shù)控機床主軸系統(tǒng)”科技創(chuàng)新團隊在繼2005年獲得國家技術(shù)進步二等獎和2010年獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎之后，又一次榮獲國家級獎項。

團隊帶頭人張珂教授，從新型陶瓷開始，講起了他們的研究。

陶瓷電主軸有哪些瓶頸尚需突破？

張珂介紹，他們的研究方向是圍繞新型高性能陶瓷材料在主軸系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計開發(fā)數(shù)控機床陶瓷主軸單元。

新型陶瓷包括了結(jié)構(gòu)陶瓷和功能陶瓷兩大類，我們應(yīng)用的主要是結(jié)構(gòu)陶瓷。功能陶瓷主要是利用其特殊的聲、光、電、磁等性能。

“由于其具有比重輕、耐磨、耐高溫、高彈性模量、高抗壓強度、無磁性、絕緣等優(yōu)良綜合特性，故被認為最適合用來制造陶瓷軸承和主軸等高轉(zhuǎn)速、高精度零部件�！睆堢嬲f。

但陶瓷材料與鋼相比，又存在抗彎、抗拉強度較低，韌性較低，易碎，切削性能差，對峰值電壓敏感等弱點。

因此，抑制電主軸發(fā)熱及由此帶來的性能變化，如何提高陶瓷材料的韌性、可加工性及加工精度，還有主軸內(nèi)部的溫度控制、軸承預(yù)緊力控制及振動控制相集成的協(xié)調(diào)控制理論與技術(shù)等問題，是陶瓷電主軸在機床領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用尚需突破的瓶頸。

領(lǐng)域內(nèi)國內(nèi)外差距有哪些？

“高性能主軸系統(tǒng)是數(shù)控機床的核心，也是最具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域及熱點�！眻F隊內(nèi)核心學術(shù)帶頭人吳玉厚教授說，數(shù)控機床主軸系統(tǒng)是高速軸承技術(shù)、油氣潤滑技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)、電機設(shè)計與制造技術(shù)、高速驅(qū)動與精密數(shù)控技術(shù)相互交叉融合的產(chǎn)物，涉及機械學、動力學、傳熱學、流體力學、電機學及控制理論等學科。

如此多學科交叉，其復雜性無需贅言。

國內(nèi)對電主軸技術(shù)的研究最早可追溯到20世紀50年代，主要以磨削電主軸為主。但是發(fā)展較緩慢，直到90年代后期，國內(nèi)各科研單位才開始研發(fā)其它用途的電主軸，研究進度也開始加快。

“將陶瓷等輕質(zhì)材料用于機床主軸已經(jīng)有二十多年的歷史，最早在1989年，日本人發(fā)明了用于超精密表面磨削的玻璃陶瓷主軸，能實現(xiàn)光學和電子材料的亞微米級和納米級表面的超精密磨削�！睆堢嬲f。

如果說優(yōu)勢，國外的電主軸與國內(nèi)的產(chǎn)品比起來比較明顯，不僅功率大、轉(zhuǎn)速高，還采用了高速、高剛度軸承，其中國外高速精密主軸上采用的高速、高剛度軸承，主要有陶瓷軸承和液體動靜壓軸承，這里就提到了陶瓷材料的應(yīng)用。

另外，國外的產(chǎn)品精密加工與精密裝配工藝水平高，配套控制系統(tǒng)水平也較為領(lǐng)先，這些控制系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子自動平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤滑與精密控制系統(tǒng)、定轉(zhuǎn)子冷卻溫度精密控制系統(tǒng)、主軸變形溫度補償精密控制系統(tǒng)等。

張珂說到，國外電主軸生產(chǎn)企業(yè)憑著高精度、高剛度軸承技術(shù)、精密加工技術(shù)、高水平的控制技術(shù)、科學的模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計而獲得高精度、長壽命的電主軸產(chǎn)品。

“舉個例子說，歐洲電主軸生產(chǎn)企業(yè)確定端面跳動行業(yè)標準是2m，實際產(chǎn)品的跳動可以在1m左右，瑞士某公司的廠家標準甚至為1.5m，且精度指標是使用電主軸動態(tài)誤差分析儀檢測得到的主軸實際工作狀態(tài)的回轉(zhuǎn)精度。而國產(chǎn)電主軸（滾珠軸承電主軸）出廠時采用機械千分表檢測電主軸在靜止狀態(tài)下手盤的端面精度一般在3m左右，有的甚至超過5m。值得一提的是，國產(chǎn)電主軸在保持上述精度的前提下，壽命只有6個月左右，而歐洲電主軸的壽命卻可長達4年，從中可以看出國產(chǎn)電主軸存在的巨大差距�！�

我們的創(chuàng)新成果是什么？

據(jù)張珂介紹，他們先后承擔多項國家級科研項目，在工程陶瓷高速磨削機理及關(guān)鍵技術(shù)、陶瓷球軸承基礎(chǔ)理論及關(guān)鍵技術(shù)、高速陶瓷電主軸關(guān)鍵技術(shù)、數(shù)控機床主軸單元關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域取得原始創(chuàng)新的研究成果。

其中，他們創(chuàng)新性地提出利用高性能結(jié)構(gòu)陶瓷作為主軸和軸承等主要旋轉(zhuǎn)部件的材料，并結(jié)合永磁同步電機，開發(fā)永磁式高速精密陶瓷電主軸，以適應(yīng)高效高精度加工制造領(lǐng)域的重大需求。

記者了解到，該團隊還研制了高精度陶瓷球軸承、高性能陶瓷電主軸單元、HTM系列車銑復合加工中心等系列產(chǎn)品。其中，無內(nèi)圈式全陶瓷電主軸單元的研制為國內(nèi)首創(chuàng)，國際上也未見有，其核心零件G3級陶瓷球和P4級陶瓷球軸承已實現(xiàn)低成本批量化生產(chǎn)，解決了數(shù)控機床電主軸的高速、高剛度、高精度、長壽命等關(guān)鍵問題，其主要性能指標已達到國際先進水平。

設(shè)計研發(fā)的HTM50200異型石材車銑加工中心具有高速、高效和高可靠性特點，性能和技術(shù)水平達到甚至超過國際先進水平，并填補國內(nèi)空白，并具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，解決了國內(nèi)石材產(chǎn)業(yè)在高附加值異型制品方面的技術(shù)瓶頸。

背景閱讀

高性能源自高要求

高性能主軸系統(tǒng)是高檔數(shù)控機床的核心功能部件之一，對機床的加工效率及零件的加工精度有極其重要的影響。隨著高速精密加工技術(shù)的需要以及機床技術(shù)的進步，機床對主軸性能的要求也越來越高，并有向高速/超高速、大功率、大扭矩、高精度、高剛度、高可靠性、長壽命以及精確定位控制等方向發(fā)展的總體趨勢。不同加工領(lǐng)域?qū)﹄娭鬏S的性能要求各不相同，其中模具加工領(lǐng)域以及航空航天、汽車、船舶等精密機械對電主軸的精度、轉(zhuǎn)速及剛度要求很高。為了開發(fā)適合于上述領(lǐng)域的精密電主軸，將氮化硅、氧化鋯等陶瓷材料應(yīng)用于電主軸主要零件，充分利用陶瓷材料的優(yōu)良性能，達到減少主軸單元高速旋轉(zhuǎn)的離心力和慣性力，提高主軸系統(tǒng)的速度、剛度、精度及使用壽命的目的，以適應(yīng)主軸系統(tǒng)高速化和精密化的特性要求。