电主轴6 V! N0 v0 C5 s, G
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电主轴是将机床主轴与主轴电机融为一体的高新技术产品。电主轴实际是指电主轴系统，由电主轴、驱动控制器、编码器、润滑装置、冷却装置等组成。电主轴系统是数控机床三大高新技术之一（高速电主轴、数控系统、送给驱动）。随着数控技术及切削刀具的飞跃发展，越来越多的机械制造装备都在不断向高速、高精、高效、高智能化发展，电主轴已成为最能适宜上述高性能工况的数控机床核心功能部件之一，尤其是在多轴联动、多面体加工、并联机床、复合加工机床等诸多先进产品中，电主轴的优异特点是机械主轴单元不能替代的。电主轴的质量、性能和水平在很大程度上决定了整机的质量、性能和水平。电主轴的价位从几万元到几十万元不等，在机床成本构成中占有较大比例。
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! v/ `" Q; V' l% `5 E& N+ U" E一、我国电主轴行业发展概况
! C3 w4 z8 X4 K! R2 y我国电主轴研发生产起源于磨加工，特别是轴承行业的内表面磨加工，是由轴承行业的生产需要而应运而生的。目前国内电主轴的生产以洛阳轴研科技公司最为著名，它生产的内孔磨削用电主轴已有50年的历史。早在20世纪50年代末，我国的轴承行业就开始生产电主轴。
. @2 c1 u" Q; N8 ^从1958年到1965年，是电主轴生产的萌芽阶段。当时主要仿制欧美及前苏联样机，国内形成了洛阳轴承研究所，哈、瓦、洛三大轴承厂与上海微型轴承厂为主体的开发试制电主轴的实体，和为配套机床而开发生产电主轴的无锡机床厂磨头车间。
$ i' V- y% i( A从1965年到1978是电主轴发展的第二阶段，电主轴开始商品化。我国第一代自行设计、自行开发的磨床用电主轴问世，由洛阳轴研所自行设计的DZ系列电主轴和轴承磨床配套，解决了当时轴承内表面磨削问题。在这一阶段，洛阳轴研所和洛轴两家单位联合支援建成了电主轴专业生产企业----安阳第二机床电器厂（现改为安阳莱必泰机械有限公司）。9 O/ s% }0 |% I% {
从1978年到1990年，以洛阳轴研所开发的GDZ系列和无锡机床厂的4SD系列电主轴为代表的高刚度、大功率磨用电主轴问世，武装了不少机床企业。当时洛阳轴承厂、洛阳轴承研究所和无锡机床厂（后改为无锡开源机床集团有限公司）联合到德国引进制造技术，开发成功了国家“六五”重点课题项目GDZ90A型电主轴、4SD60型电主轴。这个项目获得国家科技进步二等奖。此时电主轴行业逐渐形成技术优势占领先地位的洛阳轴承研究所，以配套机床为主的无锡机床厂和安阳第二机床电器厂三家电主轴专业生产厂。' V2 `+ A( M" `& N) j8 X4 v
从1990年到2000年，为数控磨床配套的2GDZ系列超大功率、超大刚度的磨用电主轴开发成功，可以实现高效高质量加工。这一阶段，加工中心用电主轴、数控车床、数控铣床用电主轴、高速离心电主轴、高速旋碾电主轴等产品相继开发出来。洛阳轴研所承担的国家“九五”攻关项目“内装式电主轴单元的工程化研究”获得成功，开发出高速数控机床和加工中心用电主轴，替代进口，实现了数控机床的国产化配套。; |9 j& M& f6 e/ d x5 _" o. G6 F
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7 t7 ~1 T& A) L9 q: p7 ?( \6 ~7 h进入21世纪以后，洛阳轴研所开发成功了刚度更强，功率更大的3GDZ系列磨用电主轴，这一产品主要出口国外。现在电主轴正朝着超高速、高精度的方向发展。目前国内电主轴产品涵盖内外表面磨削、高速数控铣、高速雕铣、加工中心、PCB板数控钻铣、高速数控车、高速离心、高速旋碾、高速试验等领域。' G: z4 B3 }: n6 ]
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近年来，除了洛阳轴研科技股份有限公司（洛阳轴研所改制而成）、安阳莱必泰机械有限公司、无锡开源机床集团有限公司三家生产电主轴的传统企业以外，又涌现出一大批新兴企业，电主轴生产企业多达70多家，大多数为民营企业。与此同时，北京机床研究所也开发出用日本 FANUC电机组装的20000转/分、24000转/分电主轴。北京机电研究院、上海第二机床厂等单位，利用德国REXROTH的电机组装成转速高于10000转/分的电主轴。北京第一机床厂和日本大隈合作也开发出转速高于10000转/分的电主轴。汉川机床厂，济宁博特精密丝杠制造有限公司、大连机床厂等数家企业也相继投入到开发生产电主轴的行列。
) S+ R6 w* j5 b# M: y3 f目前，常规磨用电主轴、雕铣机床用电主轴国内已经批量生产使用，形成了国内产品一统天下的局面。对一般主轴，技术门槛相对较低，国内技术实力较雄厚，在电主轴性价比方面占有优势，除非特殊要求，国外产品很少。而铣削用大功率电主轴还处于样机阶段，只有少数企业可以生产。随着数控机床使用电主轴比例增加，数控机床用电主轴将替代磨用电主轴成为电主轴市场的主力军。预计2010年国内高档数控机床对电主轴的需求量约15000套/年以上。; {: l) h/ X* ?# \
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二、自主化的主要障碍
( M1 P6 y- l. i* {) b T目前，在业界中，电主轴国产化率低其实是指高端加工中心、数控铣床等铣削用电主轴的国产化率低。虽然以洛阳轴研科技为代表的国内企业，自上世纪90年代就开始进行国产高档数控机床电主轴及驱动装置的技术攻关，已经开发出最高转速在50000转/分，最大功率在22千瓦的数控机床电主轴产品，并且装备了部分国产数控机床。但是从总体上讲，国产铣削用高速电主轴和国外产品相比，无论是性能、品种和质量都存在较大差距，所以目前国内高档数控机床上装配的电主轴及其驱动装置基本上是国外厂家的天下，包括西门子、FANUC、GMN、Omlet、IBAG、Setco等主轴和驱动方面的巨头占据了国内高档数控机床电主轴近90%以上的市场份额。国外产品价格高昂，一个加工中心电主轴国外价格30万元，而国内产品只有7万到10万元。& c# O6 A& i6 h- @0 L* T& W3 e; {2 x
电主轴是个系统工程，看似简单，实则不易。入门容易，搞精不易。正是由于在高速轴承技术、精密加工技术、电机技术、驱动控制技术上与国外先进水平有差距，才影响了国产电主轴的市场竞争力。
+ _8 [( Z4 Q, F( L业内人士认为，我国高档数控机床用电主轴国产化率低主要有以下几方面的原因：7 T2 V0 u: @8 P/ {/ M1 t# r7 U
（一）技术实力较弱，创新能力严重不足，电主轴关键核心部件不过关
" m! D( g% l; C2 f国外数控机床主轴公司往往只负责主轴的总体设计、技术研发以及零部件装配和测试工作，其余的关键零部件例如：主轴轴承、内装电机、主轴松拉刀机构、动力油缸或气缸、主轴轴承润滑油品等全部实行采购，在产业的分工与合作上具有很强的组织性和互补性，由于分工细致，各自针对本专业的关键技术投入人力物力进行科技攻关，致使欧美公司在关键部件的研发上具有很强的前瞻性和创新能力，从而带动了国外电主轴行业的整体技术进步。而国内电主轴厂商，各自为战，技术资源分散，除洛阳轴研科技作为原来国家轴承行业的技术归口所拥有一定的综合研发实力外，其他的企业基本上是在模仿国内外同行的产品进行生产，技术实力较弱，创新能力严重不足。在涉及电主轴轴承润滑、零部件材料选取以及加工工艺、内装式主轴电机、松拉刀接口、主轴轴承润滑油品等方面没有自己独立的知识产权和核心技术，尤其是在电主轴的关键部件领域如伺服驱动控制器、编码器、动力油缸或气缸、智能传感器、轴承、拉爪等方面表现更为突出，基本上是国外产品包打天下。国产轴承主要由于材质和热处理问题，造成轴承质量不稳定。
6 I! D& n- t% ?1 W（二）在产品性能以及相关配套技术上均存在差距& E$ W G8 d9 J7 G' r5 ]' k
国外加工中心电主轴最大扭矩可以做到310牛米 ，最高转速14万转，国内加工中心、数控铣电主轴最大扭矩做到200牛米,最高转速5万转。国产电主轴功率小，同体积出率只为国外的70%。另外，与电主轴相配套的技术，如电主轴内装电机闭环矢量控制技术、交流伺服技术、停机角向准确定位技术、C轴传动技术、快速启动与停止技术、HSK刀柄制造与应用技术、主轴智能监控技术等，国内仍然不够成熟。在装配技术上国产电主轴也落后于人，导致每一个装配环节的误差都叠加在电主轴产品上，影响电主轴的稳定性。
9 q! `" f* q5 I' j0 Y（三）制造规模小，产业化程度低9 {2 b/ J$ y1 Y& d. X7 u* W
尽管国内已经有部分企业在从事电主轴的研究和制造，但对于数控机床用高速电主轴，则仍然处于小量开发和研究阶段，远没有形成系列化、专业化和规模化生产。主要电主轴生产厂家除洛阳轴研科技外，其余企业大多为主机厂剥离出的以自我配套为主的电主轴生产厂，要形成高速电主轴产业还有很长的路要走。
+ L2 o; h4 q+ [: W7 a5 `! K) s" f（四）国外对国内电主轴发展设置障碍 h( b/ h1 A& k* U* h
由于我国高端数控机床用电主轴起步太晚，等我们看清发展趋势时，国外已大大领先，并对国产技术卡“脖子”。比如，由于国产系统不过关，国内加工中心大多用国外的系统，而国外系统的接口都是数字接口，对国内企业不公开，买国外的系统就要买国外的主轴、电机。我们只能采用模拟量与国外编码器对接，所以高难度动作电主轴做不出来。 6 p8 r" r: i4 E3 l/ T; r
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三、自主化建议6 u9 i2 p1 ^1 ?7 \ l9 w% O4 k
（一）加强电主轴关键技术研究。如加强高速、高刚度轴承研究、轴承润滑冷却方式研究、新一代驱动技术的研究、新材料新结构的电机技术研究等。“十一五”期间，要重点突破电主轴的智能化预警技术、在线平衡技术；解决电主轴的驱动控制器和系统的接口互联问题；实现电主轴关键部件的国产化等。
0 X- Q, s( G4 k- j(二)加快电主轴的标准化工作。过去国产电主轴没有统一的标准，各厂家自行确定电主轴外形尺寸，造成无法互换和用户难以选型，影响电主轴批量生产。国际上涉及电主轴的比如编码器系统、刀具接口、电机工作制等的国际标准都是欧美相关企业制定和生产的，这也是他们最具有优势的地方。目前洛阳轴研科技公司承担制订的国内第一个数控机床电主轴行业标准已进入报批阶段。
1 S. R9 v# V. L, }+ [$ I( v* S（三）鼓励支持以专业厂家生产的高质量的电主轴取代各机床厂家自己生产的传统主轴。电主轴的专业化生产不仅有利于缩短新产品开发和制造周期，而且电主轴已占据数控机床成本很大的比例，它的产业化也有助于增强数控机床的价格竞争优势。3 r9 o* R- F# C* {: N: b
（四）政府要加大政策扶持力度。如加大科技投入，加大技改资金支持，加大鼓励电主轴国产化的政策支持，电主轴生产企业享受数控机床主机的税收优惠等。
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2 f" W3 d+ P& |" M) b9 \案例：
* i1 W- z+ Q- h0 l* t- d' L轴研科技：电主轴之王, u" Q- C* }! b ?! F. |
洛阳轴研科技股份有限公司是以洛阳轴承研究所为基础改制的科技开发型上市公司，去年年产值3.3亿元，利润4500万元。轴研科技是目前我国最著名的电主轴研发生产企业，该公司主轴开发部每年开发八十多个电主轴品种，年产值3000万元。自“六五”以来，公司连续承担并完成多项国家重大科技攻关项目。迄今为止，洛阳轴研科技公司已能开发生产8大类、16个系列、240多种型号的电主轴产品，功率从0.2千瓦～115千瓦，加工中心用电主轴大型的可达外径320毫米，扭矩200牛米，小型号外径80毫米，5万转/分。该公司开发的加工中心、高速铣床和车床用电主轴，已与国产高速机床和国产并联机床配套投入使用。 ' ~% y9 x% b; Q: v
目前，轴研科技磨用电主轴国内市场占有率达35%～40%，铣削（加工中心、车床等数控机床用）电主轴占10%，高速旋碾、高速离心用电主轴国内市场达90%，高速划片机以及各类军品民品试验机用电主轴100%。21世纪以来，轴研科技与有关大学联合开发了三大软件，即高速电机设计CAD，高速轴系结构分析CAD、主轴生产管理PDM，使电主轴的开发由被动型变成主动型。 |
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