數控機床的陶瓷“芯”

        “經過近50年的發展，國內在磨削、中小型雕銑等低端電主軸制造領域已具有絕對的性價比優勢，但對于數控機床和加工中心用中、高端電主軸產品則仍然主要依賴進口。”這也正是為什么其代表著國家裝備制造業的水平寫照。

“我們應用的新型陶瓷，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陶瓷和新型陶瓷兩大類，“傳統陶瓷，顧名思義；新型陶瓷則是通過嚴格的成分和生產工藝控制而制造出來的高性能材料。”

冷冰冰，“高大上”，數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“我國裝備制造產業升級”時，看到其運轉可能是在微信朋友圈別人轉發的視頻中。

數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，航空發動機的曲面葉片，到汽車內部復雜的零件，以及更多提供著國家工業自信和戰略安全的先進制造領域，數控機床就是這么不可或缺。

數控機床的主軸系統是其核心功能部件，需要高性能工程陶瓷材料與精密加工等關鍵技術的支撐，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中的應用也成為這一領域的難點。

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

近日，沈陽建筑大學吳玉厚教授科研團隊的發明專利“用于石材加工的單驅動可分度復合切削部件”獲得第十六屆中國專利金獎。此原創設計已被廣泛應用于沈陽機床（集團）有限責任公司的高端數控加工裝備。這也是該校“數控機床主軸系統”科技創新團隊在繼2005年獲得國家技術進步二等獎和2010年獲國家技術發明二等獎之后，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中的應用，設計開發數控機床陶瓷主軸單元。

新型陶瓷包括了結構陶瓷和功能陶瓷兩大類，我們應用的主要是結構陶瓷。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速、高精度零部件。”張珂說。

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，還有主軸內部的溫度控制、軸承預緊力控制及振動控制相集成的協調控制理論與技術等問題，是陶瓷電主軸在機床領域的廣泛應用尚需突破的瓶頸。

領域內國內外差距有哪些？

“高性能主軸系統是數控機床的核心，也是最具挑戰性的研究領域及熱點。”團隊內核心學術帶頭人吳玉厚教授說，數控機床主軸系統是高速軸承技術、油氣潤滑技術、精密制造與裝配技術、電機設計與制造技術、高速驅動與精密數控技術相互交叉融合的產物，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。

國內對電主軸技術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。但是發展較緩慢，直到90年代后期，國內各科研單位才開始研發其它用途的電主軸，研究進度也開始加快。

“將陶瓷等輕質材料用于機床主軸已經有二十多年的歷史，最早在1989年，日本人發明了用于超精密表面磨削的玻璃陶瓷主軸，能實現光學和電子材料的亞微米級和納米級表面的超精密磨削。”張珂說。

如果說優勢，國外的電主軸與國內的產品比起來比較明顯，不僅功率大、轉速高，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用。

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

張珂說到，國外電主軸生產企業憑著高精度、高剛度軸承技術、精密加工技術、高水平的控制技術、科學的模擬仿真與優化設計而獲得高精度、長壽命的電主軸產品。

“舉個例子說，歐洲電主軸生產企業確定端面跳動行業標準是2m，實際產品的跳動可以在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誤差分析儀檢測得到的主軸實際工作狀態的回轉精度。而國產電主軸（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，從中可以看出國產電主軸存在的巨大差距。”

我們的創新成果是什么？

據張珂介紹，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鍵技術、陶瓷球軸承基礎理論及關鍵技術、高速陶瓷電主軸關鍵技術、數控機床主軸單元關鍵技術應用等領域取得原始創新的研究成果。

其中，他們創新性地提出利用高性能結構陶瓷作為主軸和軸承等主要旋轉部件的材料，并結合永磁同步電機，開發永磁式高速精密陶瓷電主軸，以適應高效高精度加工制造領域的重大需求。

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品。其中，無內圈式全陶瓷電主軸單元的研制為國內首創，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低成本批量化生產，解決了數控機床電主軸的高速、高剛度、高精度、長壽命等關鍵問題，其主要性能指標已達到國際先進水平。

設計研發的HTM50200異型石材車銑加工中心具有高速、高效和高可靠性特點，性能和技術水平達到甚至超過國際先進水平，并填補國內空白，并具有完全自主知識產權，解決了國內石材產業在高附加值異型制品方面的技術瓶頸。

背景閱讀

高性能源自高要求

高性能主軸系統是高檔數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的需要以及機床技術的進步，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展的總體趨勢。不同加工領域對電主軸的性能要求各不相同，其中模具加工領域以及航空航天、汽車、船舶等精密機械對電主軸的精度、轉速及剛度要求很高。為了開發適合于上述領域的精密電主軸，將氮化硅、氧化鋯等陶瓷材料應用于電主軸主要零件，充分利用陶瓷材料的優良性能，達到減少主軸單元高速旋轉的離心力和慣性力，提高主軸系統的速度、剛度、精度及使用壽命的目的，以適應主軸系統高速化和精密化的特性要求。