高性能機(jī)床主軸的技術(shù)現(xiàn)狀

　　1. 角接觸球軸承電主軸領(lǐng)域

　　國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平：在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面，洛陽軸承研究所開發(fā)了油氣潤(rùn)滑型加工中心電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)22kW、24 000r/min；湖南大學(xué)研制的永磁同步型加工中心電主軸，額定功率35kW，最高轉(zhuǎn)速18 000r/min，徑向圓跳動(dòng)1.5μm，動(dòng)平衡精度G0.4，配備HSK－A63刀柄，采用油氣潤(rùn)滑和強(qiáng)制水冷方式。沈陽建筑大學(xué)開發(fā)高速大功率陶瓷球軸承電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000r/min，功率達(dá)20kW；研制開發(fā)的無內(nèi)圈式全陶瓷電主軸單元最高轉(zhuǎn)速達(dá)到30 000r/min，最大功率達(dá)到15kW，回轉(zhuǎn)精度≤±1μm。在磨用電主軸方面，洛陽軸承研究所主軸產(chǎn)品D mn 值達(dá)到170～200萬mm·r/min；軸承套圈磨用電主軸最大功率為達(dá)32kW（S6～60%），最高轉(zhuǎn)速為120 000r/min；高鐵軌道板磨用電主軸達(dá)150kW（S1～100%），最高轉(zhuǎn)速2 000r/min；工作壽命普遍在1 500～2 000h。

　　國(guó)際先進(jìn)技術(shù)水平：在加工中心和數(shù)控銑床電主軸方面，國(guó)際上油脂潤(rùn)滑型加工中心用電主軸最高轉(zhuǎn)速為60 000r/min，油氣潤(rùn)滑型數(shù)控銑最高轉(zhuǎn)速為140 000r/min，而大功率電主軸的功率可達(dá)80kW，轉(zhuǎn)速為10 000r/min，其最大轉(zhuǎn)矩可達(dá)380N·m。在磨用電主軸方面，國(guó)際主軸產(chǎn)品的軸承D mn 值高達(dá)240萬mm·r/min，選用油氣潤(rùn)滑方式，輸出功率普遍比上一代產(chǎn)品增加50%左右，其工作壽命亦普遍增長(zhǎng)50%左右。

　　國(guó)家數(shù)控機(jī)床重大專項(xiàng)技術(shù)目標(biāo)：①額定功率和最高轉(zhuǎn)速為50kW、20 000r/min（另兩款為30kW、30 000 r/min和10kW、40 000r/min）。②具有軸承動(dòng)態(tài)預(yù)緊調(diào)整功能。③平均無故障運(yùn)行時(shí)間≥5 000h。④主軸回轉(zhuǎn)精度＜1.0μm。⑤軸系統(tǒng)剛度≥300N·μm。⑥動(dòng)平衡精度G0.4級(jí)。⑦恒功率>14。⑧轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍0.04%以下。⑨C 軸位置控制精度10″。⑩高分辨率編碼器接口最大可支持17位編碼器（131 072脈沖/r）。11.具有兩種現(xiàn)場(chǎng)總線接口。

　　2. 液體（動(dòng)）靜壓軸承電主軸領(lǐng)域

　　國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平：上海原創(chuàng)精密機(jī)床主軸有限公司研制的液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到34kW、8 500r/min，徑向跳動(dòng)1μm。東方精益公司生產(chǎn)的液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率/最高轉(zhuǎn)速達(dá)到17kW、8 000r/min，徑向跳動(dòng)1μm，徑向剛度>500 N·μm。湖南大學(xué)針對(duì)超高速外圓/凸輪軸磨床開發(fā)了電動(dòng)機(jī)內(nèi)置式液體（動(dòng)）靜壓電主軸，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)35kW、10 000r/min，徑向圓跳動(dòng)1μm；同時(shí)還針對(duì)高速內(nèi)圓磨床，開發(fā)了12kW、30 000r/min電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝式液體動(dòng)靜壓電主軸。北京航空航天大學(xué)下屬的北京北航精密有限公司開發(fā)了系列（動(dòng)）靜壓主軸產(chǎn)品，額定功率和最高轉(zhuǎn)速達(dá)到7.5kW、48 000r/min，回轉(zhuǎn)精度能達(dá)到0.5μm以內(nèi)。在內(nèi)圓磨（動(dòng)）靜壓主軸方面，國(guó)內(nèi)已生產(chǎn)轉(zhuǎn)速達(dá)20 000r/min，主軸直徑28mm的主軸產(chǎn)品。目前國(guó)內(nèi)液體（動(dòng)）靜壓主軸的回轉(zhuǎn)精度最高能達(dá)到0.1μm。

　　國(guó)際先進(jìn)水平：德國(guó)HYPOSTATIK公司開發(fā)的外圓磨電主軸，最高工作轉(zhuǎn)速為7 600 r/min，功率為50kW，砂輪徑向剛度>320 N·μm；凸輪磨凹面磨削主軸，轉(zhuǎn)速25 000/35 000r/min， 砂輪徑向剛度為120/60N·μm；銑削靜壓電主軸，最高工作轉(zhuǎn)速為42 000r/min，功率為15kW，軸承剛度為200/160 N·μm。英國(guó)Cranfield Precision公司開發(fā)的液體靜壓主軸最高轉(zhuǎn)速為15 000r/min，供油壓力為3.5MPa，徑向/軸向剛度為200/440N·μm，回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.1μm。

　　3.氣體軸承電主軸領(lǐng)域

　　國(guó)內(nèi)現(xiàn)有水平：在PCB板高速鉆削用電主軸領(lǐng)域，洛陽軸承研究所生產(chǎn)的氣靜壓電主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到90 000r/min，用于鉆削φ 0.3～φ 0.7mm的小孔，效率為190次/min，工作壽命為900h。廣州市昊志機(jī)電有限公司聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)開發(fā)成功的DQFZ－200型空氣軸承電主軸，轉(zhuǎn)速達(dá)200 000r/min，已批量應(yīng)用于PCB鉆孔行業(yè)。該主軸采用空氣靜壓軸承和高性能永磁直流電動(dòng)機(jī)，能夠承受60N徑向載荷（軸端側(cè)推力）和170N的軸向載荷，刀具夾持轉(zhuǎn)矩大于127N·cm，動(dòng)態(tài)偏擺小于8μm，最小鉆孔直徑可達(dá)0.05mm。超精密機(jī)床氣體軸承電主軸領(lǐng)域：北京機(jī)床研究所開發(fā)的NAM－820，主軸轉(zhuǎn)速1 000r/min，徑向剛度150N·μm，回轉(zhuǎn)精度0.05μm，性能指標(biāo)接近國(guó)際水平且已實(shí)現(xiàn)商品化；北京精密機(jī)械研究所研制的金剛石鏜床，采用了花崗巖制造的精密空氣軸承主軸；哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的CNC超精密車床，加工直徑為300mm，回轉(zhuǎn)精度達(dá)0.05μm。

　　國(guó)際先進(jìn)水平：在PCB板高速鉆削用電主軸領(lǐng)域，已大面積推廣應(yīng)用120 000～180 000r/min氣靜壓軸承支承的超高速電主軸，以加工φ0.1～φ 0.15mm的小孔，其效率可達(dá)400次/min。Westwind公司的D1733，采用雙排小孔節(jié)流軸承結(jié)構(gòu)，工作轉(zhuǎn)速可高達(dá)250 000r/min，承載能力50N左右。超精密機(jī)床氣體軸承電主軸領(lǐng)域，ABT公司生產(chǎn)的SP125，采用了半球軸承結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)速6 000r/min，承載力達(dá)到500N以上，徑向剛度為67 N·μm，軸向剛度134N·μm，回轉(zhuǎn)精度為0.05μm。美國(guó)Preitech公司生產(chǎn)的Nanoform 700 ultra，主軸轉(zhuǎn)速50 000 r/min，軸向剛度69 N·μm，徑向剛度23 N·μm，回轉(zhuǎn)精度為0.05μm；日本Toshiba公司生產(chǎn)的ABS－12，軸向和徑向剛度達(dá)到80 N·μm，回轉(zhuǎn)精度0.05μm；美國(guó)Moor公司2000年生產(chǎn)的五軸聯(lián)動(dòng)500FG超精密機(jī)床，空氣軸承主軸轉(zhuǎn)速20～2 000r/min，主軸回轉(zhuǎn)誤差<0.025μm。

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