“經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，國(guó)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(duì)的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，但對(duì)于數(shù)控機(jī)床和加工中心用中、高端電主軸產(chǎn)品則仍然主要依賴(lài)進(jìn)口。”這也正是為什么其代表著國(guó)家裝備制造業(yè)的水平寫(xiě)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(bào)記者，陶瓷材料一般分為傳統(tǒng)陶瓷和新型陶瓷兩大類(lèi)，“傳統(tǒng)陶瓷，顧名思義；新型陶瓷則是通過(guò)嚴(yán)格的成分和生產(chǎn)工藝控制而制造出來(lái)的高性能材料�！�

冷冰冰，“高大上”，數(shù)控機(jī)床離我們的生活似乎很遠(yuǎn)，很多人見(jiàn)到這個(gè)詞匯也許是在媒體提到“我國(guó)裝備制造產(chǎn)業(yè)升級(jí)”時(shí)，看到其運(yùn)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(jī)床就是這樣一種“既遠(yuǎn)又近”之所在，你看不到它，卻享用著高度機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)的成果。從微電子芯片制造所需的硅片加工，航空發(fā)動(dòng)機(jī)的曲面葉片，到汽車(chē)內(nèi)部復(fù)雜的零件，以及更多提供著國(guó)家工業(yè)自信和戰(zhàn)略安全的先進(jìn)制造領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床就是這么不可或缺。

數(shù)控機(jī)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(dāng)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(qiáng)度、無(wú)磁性、絕緣等強(qiáng)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(diǎn)。

沈陽(yáng)是座有著鮮明東北老工業(yè)基地特色的城市，在這里，沈陽(yáng)建筑大學(xué)交通與機(jī)械工程學(xué)院“數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)”團(tuán)隊(duì)，一直致力于高性能數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)的研發(fā)。

近日，沈陽(yáng)建筑大學(xué)吳玉厚教授科研團(tuán)隊(duì)的發(fā)明專(zhuān)利“用于石材加工的單驅(qū)動(dòng)可分度復(fù)合切削部件”獲得第十六屆中國(guó)專(zhuān)利金獎(jiǎng)。此原創(chuàng)設(shè)計(jì)已被廣泛應(yīng)用于沈陽(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司的高端數(shù)控加工裝備。這也是該�！皵�(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)”科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)在繼2005年獲得國(guó)家技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)和2010年獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明二等獎(jiǎng)之后，又一次榮獲國(guó)家級(jí)獎(jiǎng)項(xiàng)。

團(tuán)隊(duì)帶頭人張珂教授，從新型陶瓷開(kāi)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(jì)開(kāi)發(fā)數(shù)控機(jī)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(lèi)，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(qiáng)度、無(wú)磁性、絕緣等優(yōu)良綜合特性，故被認(rèn)為最適合用來(lái)制造陶瓷軸承和主軸等高轉(zhuǎn)速、高精度零部件。”張珂說(shuō)。

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

因此，抑制電主軸發(fā)熱及由此帶來(lái)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(dòng)控制相集成的協(xié)調(diào)控制理論與技術(shù)等問(wèn)題，是陶瓷電主軸在機(jī)床領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用尚需突破的瓶頸。

領(lǐng)域內(nèi)國(guó)內(nèi)外差距有哪些？

“高性能主軸系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的核心，也是最具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域及熱點(diǎn)�！眻F(tuán)隊(duì)內(nèi)核心學(xué)術(shù)帶頭人吳玉厚教授說(shuō)，數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)是高速軸承技術(shù)、油氣潤(rùn)滑技術(shù)、精密制造與裝配技術(shù)、電機(jī)設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、高速驅(qū)動(dòng)與精密數(shù)控技術(shù)相互交叉融合的產(chǎn)物，涉及機(jī)械學(xué)、動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、流體力學(xué)、電機(jī)學(xué)及控制理論等學(xué)科。

如此多學(xué)科交叉，其復(fù)雜性無(wú)需贅言。

國(guó)內(nèi)對(duì)電主軸技術(shù)的研究最早可追溯到20世紀(jì)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(guó)內(nèi)各科研單位才開(kāi)始研發(fā)其它用途的電主軸，研究進(jìn)度也開(kāi)始加快。

“將陶瓷等輕質(zhì)材料用于機(jī)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(shí)現(xiàn)光學(xué)和電子材料的亞微米級(jí)和納米級(jí)表面的超精密磨削。”張珂說(shuō)。

如果說(shuō)優(yōu)勢(shì)，國(guó)外的電主軸與國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品比起來(lái)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(guó)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(dòng)靜壓軸承，這里就提到了陶瓷材料的應(yīng)用。

另外，國(guó)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(dòng)平衡系統(tǒng)、軸承油氣潤(rùn)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(bǔ)償精密控制系統(tǒng)等。

張珂說(shuō)到，國(guó)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(xué)的模擬仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)而獲得高精度、長(zhǎng)壽命的電主軸產(chǎn)品。

“舉個(gè)例子說(shuō)，歐洲電主軸生產(chǎn)企業(yè)確定端面跳動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是2m，實(shí)際產(chǎn)品的跳動(dòng)可以在1m左右，瑞士某公司的廠(chǎng)家標(biāo)準(zhǔn)甚至為1.5m，且精度指標(biāo)是使用電主軸動(dòng)態(tài)誤差分析儀檢測(cè)得到的主軸實(shí)際工作狀態(tài)的回轉(zhuǎn)精度。而國(guó)產(chǎn)電主軸（滾珠軸承電主軸）出廠(chǎng)時(shí)采用機(jī)械千分表檢測(cè)電主軸在靜止?fàn)顟B(tài)下手盤(pán)的端面精度一般在3m左右，有的甚至超過(guò)5m。值得一提的是，國(guó)產(chǎn)電主軸在保持上述精度的前提下，壽命只有6個(gè)月左右，而歐洲電主軸的壽命卻可長(zhǎng)達(dá)4年，從中可以看出國(guó)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(dān)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，在工程陶瓷高速磨削機(jī)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(jī)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(jī)，開(kāi)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(tuán)隊(duì)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(chē)銑復(fù)合加工中心等系列產(chǎn)品。其中，無(wú)內(nèi)圈式全陶瓷電主軸單元的研制為國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，國(guó)際上也未見(jiàn)有，其核心零件G3級(jí)陶瓷球和P4級(jí)陶瓷球軸承已實(shí)現(xiàn)低成本批量化生產(chǎn)，解決了數(shù)控機(jī)床電主軸的高速、高剛度、高精度、長(zhǎng)壽命等關(guān)鍵問(wèn)題，其主要性能指標(biāo)已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

設(shè)計(jì)研發(fā)的HTM50200異型石材車(chē)銑加工中心具有高速、高效和高可靠性特點(diǎn)，性能和技術(shù)水平達(dá)到甚至超過(guò)國(guó)際先進(jìn)水平，并填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，并具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，解決了國(guó)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(jī)床的核心功能部件之一，對(duì)機(jī)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(jī)床技術(shù)的進(jìn)步，機(jī)床對(duì)主軸性能的要求也越來(lái)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(zhǎng)壽命以及精確定位控制等方向發(fā)展的總體趨勢(shì)。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(chē)、船舶等精密機(jī)械對(duì)電主軸的精度、轉(zhuǎn)速及剛度要求很高。為了開(kāi)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(dá)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。