主軸冷卻專利技術綜述

李定遠

摘 要：在機械加工領域中，將機床主軸電動機與機床主軸“合二為一”的電主軸單元被廣泛運用。隨著主軸轉速的提高，主軸的發熱問題逐漸凸顯，成為了影響加工精度和效率的關鍵性因素。鑒于此，文章對主軸冷卻相關的專利技術進行了分析。

關鍵詞：電主軸；冷卻；溫度監測；專利

中圖分類號：T-18 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0021-02

Abstract： In the field of machining， the motorized spindle unit， which combines the spindle motor of machine tool and the spindle of machine tool， is widely used. With the increase of spindle speed， the heat problem of the spindle becomes more and more prominent， which becomes the key factor to affect the machining accuracy and efficiency. In view of this， the article analyzes the patent technology related to spindle cooling.

Keywords： electric spindle； cooling； temperature monitoring； patent

引言

隨著主軸轉速的提高和電主軸的廣泛運用，主軸的發熱問題逐漸凸顯，成為了影響加工精度和效率的關鍵性因素。在高速加工中，主軸的工作負荷不大，而且主軸因切削力引起的加工誤差相對較小。然而，主軸中高速電機的發熱和軸承的摩擦發熱卻是不可避免的，由此引起的熱變形如果處理不當會嚴重的影響機床的加工精度，相對于各類誤差來說，熱變形引起的誤差比其他誤差更為明顯[1][2]。因此，本文對國內外主軸冷卻相關的專利技術進行了分析。

1 國內外主軸冷卻專利現狀分析

1.1 主軸冷卻專利技術分支

以主軸冷卻技術作為關鍵詞在中文專利檢索數據庫以及外文專利檢索數據庫中進行檢索，根據收集的專利文獻數據，使用科學的方法進行了標引和分析，進而對主軸冷卻所涉及的技術進行分解，參見表1。

1.2 國內外主軸冷卻專利申請數量分析

本文對2016 年之前主軸冷卻技術專利申請數量進行統計分析形成圖1。

圖1中反映出，在全球范圍內，主軸冷卻技術專利申請量有起伏、但總體上呈上升趨勢。專利申請起始于上世紀70年代，一直到1990年前都處于相對低的水平，申請量較少，可以理解為技術起步階段；在1990年后，專利申請量有了小幅度上升，這種上升趨勢一直到2002年后才有所減緩，這期間是主軸冷卻技術的一個發展小高峰，期間，中國申請人也提交了少量專利；在2005-2008年期間，申請量平穩上升，但仍然處于探索階段；在2008年之后，專利申請總量再次大幅上升，一直持續到2016年都處于一個較高的水平。在這期間，中國申請人專利申請也在迅速上升，這說明國內企業的研究起步較晚，而國外企業在中國市場的專利布局也基本上是在2002年之后才開始逐漸展開。值得注意的是，在2005年到2017年這十二年間，國外申請人在中國的申請數量一直較快地增長，速度也超過全球范圍內的增長速度，這說明隨著中國市場越來越被眾多企業所重視，各國企業也開始大量地在中國進行專利布局，同時隨著本土企業的逐漸壯大，例如大隈株式會社（OKUMA）、德克爾·馬霍普夫龍滕有限責任公司（DECKEL MAHO）、三菱重工株式會社（MITSUBISHI HEAVY IND）、森精機株式會社（MORI SEIKI）、東芝機械株式會社（TOSHIBA），山崎馬扎克公司（YAMAZAKI MAZAK CORP）等著名機床企業也開始進入中國，企業之間的競爭也進一步加劇。此外，主軸冷卻技術的專利申請中，國外申請人的申請基本都是發明專利，在2009年后中國申請人的申請量有大幅度的增長，但是主要以實用新型專利申請為主，發明專利的數量相對實用新型專利的數量還是偏少，這也說明中國在這一領域的原創申請較少，還處于跟隨其他國家研發的進度的階段。

1.3 重要申請人統計分析

根據申請量分析將如圖2所示的申請人確定為主軸冷卻領域較為重要的申請人。可以發現其中包括多個全球著名機床主軸生產廠商，主要為日本和德國的公司，而中國企業在機床主軸領域的起步晚，且涉及的企業較為分散，只有少數公司致力于相關技術的持續研發。

現對機床主軸冷卻領域重要的申請人進行相關介紹：

（1）大隈株式會社（OKUMA）是日本第一大機床生產商，世界第一大龍門加工中心生產商，其在主軸冷卻領域先后申請了23件專利，多件專利都有較高的引用次數。

（2）德國德克爾·馬霍普夫龍滕有限責任公司（DECKEL MAHO）是著名機床生產廠商德瑪吉旗下的全資子公司，其在主軸冷卻領域先后申請了21件專利，其中專利EP0288660A2是1987年申請的主軸冷卻技術專利，其先后進入多個國家進行布局，該專利先后被引證46次。

（3）日本森精機株式會社（MORI SEIKI）是日本最大的機床制造商之一。其在主軸冷卻領域先后申請了12件專利，其中專利EP0437322A2是1990年申請的主軸冷卻技術專利，其先后進入多個國家進行布局，該專利先后被引證64次，是主軸冷卻領域較為基礎性的專利。

（4）山崎馬扎克公司（YAMAZAKI MAZAK CORP）是一家全球知名的機床生產制造商。公司成立于1919年，主要生產CNC車床、復合車銑加工中心、立式加工中心、臥式加工中心、CNC激光系統、FMS柔性生產系統、CAD/CAM系統、CNC裝置和生產支持軟件等。產品素以高速度、高精度而在行業內著稱，產品遍及機械工業的各個行業。

（5）廣州市昊志機電股份有限公司成立于2006年，是一家專業從事研發、制造、銷售、維修高速電主軸及零部件的環保、高科技型企業，上市公司。目前已成為中國電主軸產銷龍頭企業之一。

2 結束語

我國對于主軸冷卻技術的研究起步相對于發達國家較晚，但隨著我國產業結構和技術裝備升級，近年來國內的企業和科研院所在應用和理論上己經取得了一定的成就。為取得更好的主軸溫度控制效果，未來中國的企業和科研機構應該努力提升冷卻流道和密封裝置的設計水平，提高主軸溫度的檢測精度和實時性。

參考文獻：

[1]閻樹田，許慶鵬，張樹錕.高速電主軸冷卻系統設計與研究[J].機械與電子，2012（03）：44-46.

[2]孔祥志，李長英，王家興，等.內裝式電主軸冷卻方式的探討[J].機械工程師，2011（01）：30-31.endprint