李永芳 張啟萍 王 瑞 李新寧 茍衛(wèi)東 楊錦斌

(①青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧 810003;②青海一機數(shù)控機床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018)

高速加工是一種以比常規(guī)切削速度高5～10倍的速度進行切削加工的先進工藝，是當(dāng)代四大先進制造技術(shù)之一，而高速機床是實現(xiàn)高速加工的前提條件?，F(xiàn)代制造技術(shù)中，機床的高速化已成為一個不可阻擋的發(fā)展潮流，高速主軸單元是實現(xiàn)高速切削的關(guān)鍵部件，是高速機床的心臟部件，與傳統(tǒng)的傳動方式相比，高速主軸單元采用了電主軸的形式，即為內(nèi)裝式電動機，取消了諸如齒輪、皮帶等中間傳動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)了機床的“零傳動”。

采用電主軸的高速加工技術(shù)是目前機床行業(yè)非常熱門的一個話題。在高速切削機床中，由于主軸單元系統(tǒng)各零件剛度和精度都較高，而負(fù)荷卻不是很大，主軸因切削力引起的加工誤差較小。但內(nèi)裝式電動機的功率損耗發(fā)熱和軸承的摩擦發(fā)熱不可忽視，在高速加工中，電主軸的熱變形已成為影響機床加工精度的主要因素，機床熱變形造成的加工誤差達到工件總加工誤差的60%～80%。對高速電主軸的熱態(tài)特性進行分析，以減小溫升和熱變形。對于高速機床來說，電主軸作為其核心部件，除需提高合理的剛度、精度外，另外需考慮電動機和主軸軸承的發(fā)熱及動平衡精度，原有機床主軸的設(shè)計理論已經(jīng)不適合高速主軸系統(tǒng)的設(shè)計，由此引起了高速主軸系統(tǒng)設(shè)計理念和理論的變化。主軸軸承高速下的劇烈摩擦發(fā)熱和高頻電動機發(fā)熱會使主軸產(chǎn)生熱變形，甚至引起主軸系統(tǒng)失效，大大阻礙了新技術(shù)的發(fā)展。因此，高速電主軸技術(shù)在高速機床研究和發(fā)展中具有重要的意義，電主軸系統(tǒng)發(fā)熱分析及控制措施在高速主軸系統(tǒng)中至關(guān)重要，是高速、高精度機床必須要考慮和解決的關(guān)鍵技術(shù)問題之一。

1 電主軸單元結(jié)構(gòu)分析

高速電主軸的典型結(jié)構(gòu)如圖1所示。主電動機置于主軸前、后軸承之間，這是電主軸的一種基本結(jié)構(gòu)形式，它采用兩支承結(jié)構(gòu)，支承受力方式為外撐式，前后軸承均分別采用串聯(lián)安裝方式，后支承選用小尺寸軸承，降低了速度因數(shù)值，對主軸整體剛性影響不大，對保持整個軸系的使用壽命十分有利，優(yōu)點是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合于大、中型高速機床，目前大多數(shù)電主軸都采用這種結(jié)構(gòu)形式。

電主軸單元的內(nèi)裝式電動機轉(zhuǎn)子用熱裝方法安裝在機床主軸上，處于前后軸承之間，由熱裝過盈配合產(chǎn)生的摩擦力來實現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩的傳遞。在主軸上取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接，這種設(shè)計主要是為了容易使主軸運轉(zhuǎn)部分達到精確的動平衡。電主軸單元的內(nèi)裝式電動機定子通過一個冷卻套固定安裝在主軸箱的殼體中。主軸的轉(zhuǎn)速用AC數(shù)字伺服主軸，進行伺服調(diào)速與矢量控制來改變。

2 電主軸單元熱源分析

電主軸有兩個主要的內(nèi)部熱源:內(nèi)裝式電動機的發(fā)熱和主軸軸承的發(fā)熱。如果不加以控制，由此引起的熱變形會嚴(yán)重降低機床的加工精度和軸承使用壽命，從而導(dǎo)致電主軸的使用壽命縮短。

2.1 主軸軸承的發(fā)熱

主軸軸承的發(fā)熱主要是滾動體與滾道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦以及潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的。把滾動軸承作為機械元件考慮時，摩擦力矩M為負(fù)荷項M1和速度項M0之和，即

式中:M0為和潤滑劑用量、粘度及軸承轉(zhuǎn)速有關(guān)的摩擦力矩分量，N·mm;M1為和軸承載荷大小、滾動體和滾道間接觸彈性變形量及滑動摩擦有關(guān)的摩擦力矩分量，N·mm。

在滾動軸承的摩擦力矩總量M中，當(dāng)軸承處在高速輕載運轉(zhuǎn)時，M0分量將占主要部分;而在低速重載下運轉(zhuǎn)時，M1分量占主要部分。

根據(jù)Palmgren提出的經(jīng)驗算法公式，在運動粘度v(m2/s)與轉(zhuǎn)速n(r/min)的乘積v·n≥2 000×10－6(m2·s－1·r·min－1)時:

在v·n＜2 000 ×10－6(m2·s－1·r·min－1)時:

式中:f0為與軸承類型和潤滑方式有關(guān)的經(jīng)驗常數(shù);n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min;v為在工作溫度下潤滑劑的運動粘度，m2/s。

式中:dm為軸承中徑，mm;P1為確定軸承摩擦力矩的計算負(fù)荷，N;f1為與軸承類型和所受負(fù)荷有關(guān)的系數(shù)。

式中:P0為軸承的當(dāng)量靜載荷，N;C0R為軸承的額定靜載荷，N。

對于角接觸球軸承，其當(dāng)量靜載荷P0按式(2)、(3)計算，并取其中較大值。

式中:X0為徑向載荷系數(shù);Fr為徑向載荷，N;Y0為軸向載荷系數(shù);Fa為軸向載荷，N。

軸承發(fā)熱量的計算:軸承發(fā)熱量Q為

式中:Q為摩擦熱，kW;n為軸承轉(zhuǎn)速，r/min;M為軸承摩擦力矩，N·mm。

2.2 內(nèi)裝式電動機發(fā)熱

電主軸由于采用內(nèi)裝式電動機主軸結(jié)構(gòu)形式，位于主軸單元體中的內(nèi)裝式電動機不能采用風(fēng)扇散熱，因此自然散熱條件較差。內(nèi)裝式電動機在實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換過程中，內(nèi)部產(chǎn)生功率損耗，從而使內(nèi)裝式電動機發(fā)熱。研究表明，在內(nèi)裝式電動機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的發(fā)熱量由內(nèi)裝式電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中;其余2/3的熱量產(chǎn)生于內(nèi)裝式電動機的定子。

在確定機床電動機功率時，除了考慮切削加工的有效功率外，還必須考慮無效功率(空載功率和載荷附加功率)。即電動機功率N為

式中:N切為消耗于切削的功率，即有效功率;N空為空載功率;N附為載荷附加功率。

空載功率是機床在無切削負(fù)載時傳動系統(tǒng)空轉(zhuǎn)所消耗的功率。其包括傳動系統(tǒng)中所有運動副的摩擦、零件制造及裝配誤差引起的附加摩擦、傳動件的攪油、空氣阻力及動載荷離心力等所需消耗的功率等。它與有無負(fù)載及負(fù)載的大小無關(guān)，傳動件越多、轉(zhuǎn)速越高、皮帶和軸承的預(yù)緊力越大、裝配質(zhì)量越差，則空載功率就越大。

空載機械摩擦損耗的大小主要取決于摩擦面的種類和制造裝配的質(zhì)量摩擦面上空載時的作用力(傳動件的重量、偏心質(zhì)量、軸承的預(yù)緊力、皮帶拉力以及傳遞空載扭矩等)摩擦系數(shù)及相對運動速度。對一臺已定的機床，各傳動件的尺寸一定，在潤滑情況保持不變的條件下，則各傳動件的空載機械摩擦損耗隨摩擦表面相對轉(zhuǎn)速的提高而增加?？梢哉J(rèn)為空載機械摩擦功率損耗與相對速度的一次方成正比。各傳動件的攪油功率損耗主要決定于傳動件的種類、尺寸大小、浸油深度、油的粘度、油溫的變化和傳動件的速度。對于一臺結(jié)構(gòu)一定的機床，在主軸箱內(nèi)油面高度固定不變的條件下，則各傳動件的攪油功率損耗隨轉(zhuǎn)速的提高而增加。一般可以認(rèn)為各傳動件的攪油功率損耗與轉(zhuǎn)速的平方成比例。正常情況下，對于采用飛濺潤滑的主軸箱來說，由于軸位布局合理，浸油齒輪數(shù)目較少，油面高度適宜，則攪油功率損耗占全部空載功率損耗的比例很小，可以忽略?？諝庾枇p耗功率就更小了，也可以忽略不計。這樣機床空載功率損耗的總數(shù)，可以近似地認(rèn)為機床主傳動系統(tǒng)空載功率與主軸箱全部軸之和成正比關(guān)系。

機床主傳動系統(tǒng)空載功率可以近似計算，機床空載功率經(jīng)驗公式:

式中:NCK為空載功率計算值;dn為傳動系統(tǒng)中除主軸外，所有傳動軸軸頸的平均直徑;dz為主軸前后軸頸的平均直徑;∑ni為當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為ni時，傳動系統(tǒng)除了主軸外，各傳動軸的轉(zhuǎn)速和;nz為主軸轉(zhuǎn)速;C為系數(shù)，兩支撐的滾動軸承或滑動軸承C=8.5，三支撐的滾動軸承C=100;K為潤滑油粘度影響系數(shù)，K=0.75－10。

2.3 電主軸的動平衡

由于不平衡質(zhì)量是以主軸的轉(zhuǎn)速二次方影響主軸動態(tài)性能的，所以主軸的轉(zhuǎn)速越高，主軸不平衡量引起的動態(tài)問題越嚴(yán)重。對于電主軸來說，由于電動機轉(zhuǎn)子直接過盈固定在主軸上，增加了主軸的轉(zhuǎn)動質(zhì)量，使主軸的極限頻率下降，因此超高速電主軸的動平衡精度應(yīng)嚴(yán)格要求，一般應(yīng)達到G1～G0.4級(G=eω，e為質(zhì)量中心與回轉(zhuǎn)中心之間的位移，即偏心量;ω為角速度)。對于這種等級的動平衡要求，采用常規(guī)的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是不夠的，還需在裝配后進行整體精確動平衡，以確保主軸高速平穩(wěn)運行。

現(xiàn)階段，在土木工程建設(shè)中越來越重視技術(shù)的重要性，經(jīng)過相關(guān)的研究表明，技術(shù)對工程建設(shè)作用是非常大的，從一個工程開始到一個工程的結(jié)束都離不開技術(shù)的運用。經(jīng)濟社會發(fā)展水平雖然在不斷增高，但是在土木工程建設(shè)過程中也出現(xiàn)了各種各樣的問題，伴隨著這些問題也出現(xiàn)了一系列的解決方案，土木工程技術(shù)就是在不斷修改問題的過程中一點點進步，并且得到了創(chuàng)新，這是工程建筑行業(yè)的一大進步。

主軸動平衡常用方法有兩種:去重法和增重法。普通主軸和主軸單元通常采用去重法。該平衡法是在其他零件安裝到主軸上后進行整體動平衡時，根據(jù)要求在去重盤處切去不平衡量。高速主軸單元和電主軸單元通常采用增重法。增重法是近年來為適應(yīng)高速主軸發(fā)展需要而開發(fā)出的一種新型平衡方法。主軸單元設(shè)計時必須增加平衡盤，平衡盤的圓周方向設(shè)計有均勻分布的螺紋孔，其他相關(guān)零件安裝到主軸上后進行主軸組件整體動平衡時，不是在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內(nèi)擰入平衡錐端緊定螺釘，以平衡錐端緊定螺釘?shù)臄Q入深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量。

3 電主軸溫升的抑制措施

3.1 減小軸承發(fā)熱量的措施

3.1.1 適當(dāng)減小軸承滾珠直徑

減小滾珠直徑可以減小離心力，從而減小摩擦力矩。但是，滾珠直徑的減小應(yīng)以不過多削弱軸承的剛度為限。一般高速精密滾動軸承的滾珠直徑約為標(biāo)準(zhǔn)系列滾珠軸承滾珠直徑的70%，而且做成小直徑密珠的結(jié)構(gòu)形式，通過增加軸承的滾珠數(shù)和滾珠與內(nèi)外套圈的接觸點，提高滾珠軸承的剛度。

3.1.2 采用新材料

陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比，在高速回轉(zhuǎn)時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減小，發(fā)熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質(zhì)角接觸球軸承相比的主要優(yōu)點有:

(1)質(zhì)量輕。材料密度僅為3.218×103kg/m3，只相當(dāng)于鋼球的40%。在高速回轉(zhuǎn)時，滾動體的離心力和陀螺力矩可顯著減小從而接觸應(yīng)力減小，摩擦功耗下降，發(fā)熱量降低。

(2)線膨脹系數(shù)小。α=3.2×10－6/℃，約為鋼球的25% ，使得在不同溫升的條件下，球與內(nèi)外環(huán)的配合間隙變化小，提高了軸承工作的可靠性，并減小了溫升導(dǎo)致的軸承軸向位移，也使得預(yù)加載荷變化小。

3.2 電主軸單元發(fā)熱的解決方法

電主軸單元異常發(fā)熱后如何將熱量盡快帶走，從而有效控制溫升。

3.2.1 主軸軸承的潤滑冷卻措施——油氣潤滑系統(tǒng)

油氣潤滑是將微量的潤滑油均勻、連續(xù)地混入壓縮空氣流，再把它噴入要潤滑的摩擦副內(nèi)的一種潤滑方法。它除了具有很好的潤滑性能之外，還有極強的冷卻效果。雖油氣潤滑系統(tǒng)比較昂貴，但對于高精密加工中心來說，一套油氣潤滑系統(tǒng)不至于將產(chǎn)品成本提高很多。

油氣潤滑在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)注意以下事項:①噴嘴距滾動軸承端面的距離可在3～25 mm之間;②在軸承腔壁上需開設(shè)排氣孔，以便流通;③油氣潤滑系統(tǒng)的用油量極少，大約1 mL/h;④油氣潤滑系統(tǒng)的含油量:采用油氣潤滑時影響軸承溫升的因素之一是供油量。供油量決定著油氣兩者混合流中的含油量，給定速度下的軸承溫升與該含油量有關(guān)，初始階段軸承溫升隨含油量增加而迅速下降，而后其影響減弱，當(dāng)含油量增加到某一數(shù)值后溫升緩慢增加，繼而急劇上升，因而油氣兩者的混合流中的含油量達到一個最佳值，才能既保證軸承的潤滑充足又保證軸承的強力冷卻。為此，油氣潤滑系統(tǒng)參數(shù)確定為:空氣壓力為0.4 MPa，空氣流量為(3.3 ～6.7)×10－4m3/s，潤滑油運動粘度為32 mm2/s，潤滑油流量約為(0.28～0.83)×10－10m3/s，調(diào)整潤滑油流量取得最佳含油量;⑤油氣潤滑系統(tǒng)供油的均勻性:采用油氣潤滑時影響軸承溫升的因素之二是供油的均勻性。決定供油均勻性的最主要參數(shù)是供油頻率。為了獲得合適的供油量，不能只降低供油頻率，而是合理匹配活塞直徑、沖程、供油頻率(2～8 min)，取得最佳方案，獲得理想的供油量。

軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉(zhuǎn)速、負(fù)荷、許用溫升及軸承類型有關(guān)，一般根據(jù)速度因數(shù)dm·n值選擇。其中:dm為軸承中徑(mm):n為工作轉(zhuǎn)速(r/min)。采用油氣潤滑系統(tǒng)來解決高速電主軸中陶瓷球軸承的潤滑與冷卻問題，如圖2所示。

油氣潤滑系統(tǒng)的基本原理是，利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配器每隔一定時間定量輸出微量的潤滑油，在一定長度的管道中混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶動潤滑油沿管道內(nèi)壁不斷地流動，把油氣混合物輸送到安裝于軸承近處的噴嘴(孔徑1 mm中)，經(jīng)噴嘴射向內(nèi)圈和滾動體的接觸點實現(xiàn)潤滑和冷卻，達到“最佳供油量”和“壓縮空氣進行冷卻”的效果。

油氣潤滑與油霧潤滑的主要區(qū)別在于供給軸承的潤滑油未被霧化，而是以油粒狀被壓縮空氣吹入軸承，向大氣中排放的僅是空氣，因此對環(huán)境沒有污染。具有一定壓力的潤滑油在接觸點除潤滑外還有帶走熱量和密封的作用。由于油滴是噴射而出，故可穿透在高速運轉(zhuǎn)時由于離心力的作用而在軸承周圍形成的空氣渦流，實現(xiàn)潤滑軸承的目的。油氣潤滑用大量的壓縮空氣來冷卻軸承，使得軸承的溫升比用油霧潤滑時要低很多。實驗表明，使用油氣潤滑的軸承溫升可比使用脂潤滑時降低5～80℃，比油霧潤滑降低9～160℃，隨著dm·n值的增大，降溫的效果更明顯。

軸承潤滑的目的是減少軸承內(nèi)部摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統(tǒng)的滾動軸承潤滑方法，如油浴潤滑法、油杯潤滑法、飛濺潤滑法、循環(huán)潤滑法和油霧潤滑法等已均不能滿足高速主軸軸承對潤滑的要求，這是因為高速主軸軸承不僅對油的粘度有嚴(yán)格要求，而且對供油量也有著嚴(yán)格要求。為了獲得最佳的潤滑效果，供油量過多或過少都是有害的。而油氣潤滑系統(tǒng)則可以精確地控制各個摩擦點的潤滑油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領(lǐng)域應(yīng)用。

3.2.2 主軸軸承外環(huán)和內(nèi)裝式電動機的循環(huán)冷卻措施——油—水熱交換系統(tǒng)

為了提高軸承外環(huán)的散熱效果，在主軸設(shè)計中可采用主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)，對主軸套筒進行強制冷卻，從而帶走主軸軸承外環(huán)異常產(chǎn)生的熱量。主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻液對主軸套筒進行循環(huán)冷卻，冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入，通過主軸軸承外環(huán)主軸套筒上的螺旋槽，與主軸套筒進行充分的熱交換，將主軸軸承外環(huán)產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到冷卻液中，從主軸套筒上的出油口輸出，然后流經(jīng)熱交換器，進行再一次熱交換，將冷卻液溫度降到接近室溫后，流回冷卻箱，再經(jīng)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而實現(xiàn)循環(huán)冷卻。

主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換系統(tǒng)在加工中心中應(yīng)用，應(yīng)考慮以下內(nèi)容:①冷卻劑的選擇:常用的冷卻劑有制冷劑、水、油及油水混合物，因產(chǎn)品具體情況選取，其中水冷降熱比高、價格低廉、維護方便，深受廣大用戶青睞;②冷卻液或油或油水混合物冷卻時介質(zhì)壓力約0.4 MPa為宜，介質(zhì)流量約50 L/min為宜。

由于主軸電動機兩端就是主軸軸承，電動機的發(fā)熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電動機的散熱解決得不好，將會影響到機床工作的可靠性和穩(wěn)定性。有限元分析表明，電主軸的定子和轉(zhuǎn)子是電主軸的兩大熱源。另外，電動機高速運轉(zhuǎn)條件下，有近1/3的電動機發(fā)熱量是由電動機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的，并且轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的絕大部分熱量都通過轉(zhuǎn)子與定子間的氣隙傳入定子中，只有少部分熱量直接傳入主軸和端蓋上，其余2/3的熱量產(chǎn)生于電動機定子。轉(zhuǎn)子散熱條件差，又直接安裝在主軸上，設(shè)計中應(yīng)盡量減小電動機徑向傳熱熱阻，使轉(zhuǎn)子的發(fā)熱量盡可能多地通過氣隙傳到定子和殼體中去，并由冷卻液帶走。為了提高散熱效果，保證電動機的絕緣安全，高速電主軸采用油一水熱交換循環(huán)冷卻系統(tǒng)如圖3所示。系統(tǒng)采用連續(xù)、大流量、冷卻油對定子進行循環(huán)冷卻，冷卻油從主軸殼體上的入油口輸入，通過定子冷卻套上的螺旋槽，與電動機定子進行充分的熱交換，將電動機產(chǎn)生的絕大部分熱量轉(zhuǎn)移到油中，從殼體的出油口輸出，然后流經(jīng)逆流式冷卻交換器，與冷卻水進行再一次熱交換，將熱油溫度降到接近室溫后，流回油箱，再經(jīng)過壓力泵增壓輸?shù)饺胗涂?，從而實現(xiàn)循環(huán)冷卻。根據(jù)主軸電動機的要求，冷卻油的入口溫度T在10～40℃之間，溫升不得超過10℃。

現(xiàn)有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內(nèi)加冷卻油，并不斷地循環(huán)，把熱量帶走，來進行冷卻。其基本的冷卻路線是:首先從主軸冷卻油溫控制器流出冷卻油，經(jīng)過在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進入前端軸承的外圍，對前端軸承進行冷卻。接著流向主軸的定子和后端軸承進行冷卻，最后從出水口流回主軸冷卻油溫控制器完成循環(huán)。

3.2.3 主軸軸承內(nèi)環(huán)和內(nèi)裝式電動機轉(zhuǎn)子的冷卻措施——B型內(nèi)冷

采用主軸套筒螺旋槽冷卻液熱交換系統(tǒng)，與不采用主軸套筒熱交換系統(tǒng)冷卻時軸承內(nèi)環(huán)的溫度也下降了一些，只有4～5℃，這表明主軸套筒熱交換系統(tǒng)對軸承內(nèi)環(huán)的散熱效果不明顯。要減少主軸軸承內(nèi)環(huán)的溫升和熱影響，必須采用冷卻劑對主軸中心孔冷卻(B型內(nèi)冷)，提高主軸軸承內(nèi)環(huán)的散熱來實現(xiàn)。

4 試驗分析

主軸單元的發(fā)熱和溫升是一個動態(tài)過程。當(dāng)主軸在不同的負(fù)荷率、不同的轉(zhuǎn)速下運轉(zhuǎn)時，主軸的發(fā)熱和溫升是有所不同的。負(fù)荷率越大、轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱量越大，溫升也越明顯。為此，我們做了主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時，主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進出油口處的溫度測試動態(tài)試驗。

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

對HMC80臥式加工中心主軸單元進行溫度測試，根據(jù)溫度測試數(shù)據(jù)，擬合出主軸前后軸承的溫度變化曲線，建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，找出影響溫度變化的主要因素，進而為主軸的熱變形量提出補償措施，實現(xiàn)對主軸的溫度控制，提高高速機床的加工精度。具體實驗?zāi)繕?biāo)如下:(1)測定主軸前后軸承及進出油口在主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時的溫度;(2)分析軸承及進出油口溫度上升的原因;(3)擬合出主軸前后軸承及進出油口隨轉(zhuǎn)速上升的溫升曲線;(4)建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等關(guān)系的數(shù)學(xué)模型。

4.2 試驗條件

本試驗采用青海一機HMC80臥式加工中心的自制高速電主軸系統(tǒng)，在青海一機主軸試驗臺上進行測試。主軸定子、轉(zhuǎn)子采用FANUC AC伺服電動機，電動機功率25/30 kW;前軸承采用小滾珠陶瓷球軸承，后軸承采用單列短圓柱滾子軸承;主軸前后軸承外圈和電動機定子具有循環(huán)冷卻。

4.3 測試原理

溫度傳感器熱電阻測溫原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的升高而增大這一特性來進行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。軸承表面的溫度和進出油口的油溫是通過溫度傳感器和溫度變送器進行非電量與電量的轉(zhuǎn)換，然后傳給LMS數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)對模擬電信號進行采樣，把采樣數(shù)據(jù)送工控機程序進行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

4.4 試驗具體方法步驟

溫度測試動態(tài)試驗具體步驟如下:

(1)分別在主軸前端與第二、第三、第四和后軸承所對應(yīng)的主軸箱外壁鉆一個直徑為10 mm的孔，使孔剛好穿過主軸套筒。再加工4個外徑為10 mm，內(nèi)徑為6 mm，長度為37 mm的空心圓柱銅套。

(2)將直徑為5 mm的溫度傳感器裝入銅套螺母，使溫度傳感器前端接觸軸承外圈，用密封膠帶將傳感器與銅套前端內(nèi)壁固定，再通過螺紋連接將銅套外壁端固定在孔內(nèi)，用銅套螺母將銅套后端固定在主軸箱外壁(見圖4)。在主軸進出油口處分別裝上三通，再將溫度傳感器通過螺紋連接在主軸進出油口處三通上。

(3)將主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承內(nèi)的4個溫度傳感器分別插入信號采集系統(tǒng)與之對應(yīng)的第1、第2、第3和第4接口內(nèi)(這4個溫度傳感器分別是計算機LMS軟件系統(tǒng)通道設(shè)置對應(yīng)的T1、T2、T3、T4)，將進出油口處的溫度傳感器的另一端分別插入信號采集系統(tǒng)與之對應(yīng)的第5、第6接口內(nèi)(后兩個溫度傳感器分別是計算機LMS軟件系統(tǒng)通道設(shè)置對應(yīng)的T5、T6)。

(4)接通電源，將計算機與信號采集系統(tǒng)用網(wǎng)線聯(lián)接，打開信號采集系統(tǒng)開關(guān)，再打開Test.Lab Signature軟件，對溫度傳感器進行通道設(shè)置。

(5)運行電主軸，每隔20 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000 r/min，用6個溫度傳感器對各軸承溫度及進出油口油溫進行測試，打開溫度窗口，觀察測量溫度值。

(6)實驗完畢，保存數(shù)據(jù)，停機。

將LMS測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Excell格式，通過Matlab軟件模擬出T1、T2、T3、T4、T5、T6 在不同轉(zhuǎn)速下的溫升曲線圖。

4.5 測試溫升曲線圖

主軸前端第二、第三、第四和主軸后軸承、進出油口處在主軸1 000～15 000 r/min轉(zhuǎn)速下的溫升測試曲線如圖5～10所示。

4.6 測試結(jié)果

本試驗采用比利時多通道動態(tài)監(jiān)測儀，選用高精度pt 100溫度傳感器作為數(shù)控機床主軸軸承溫度的直接檢測元件，通過對電主軸不同轉(zhuǎn)速下電主軸軸承外圈溫度的直接測量尋找最佳溫升情況下冷卻系統(tǒng)流量、油—氣潤滑量及軸承預(yù)緊的相互匹配關(guān)系。在實驗中發(fā)現(xiàn):在轉(zhuǎn)速達到12 000 r/min時主軸溫升在30℃左右，并且在運轉(zhuǎn)約30 min后，能達到熱平衡狀態(tài);在13 000～15 000 r/min時主軸溫度連續(xù)上升，運轉(zhuǎn)30 min后溫度繼續(xù)上升，最高溫度能達到50℃左右。另外通過對比，當(dāng)主軸連續(xù)運行30 min后，主軸錐孔中的溫度與軸承外圈溫度傳感器直接測定的溫度相差約2～3℃，這也為以后主機上無法直接測量主軸溫升，用間接法測量主軸溫升提供了參考。

5 結(jié)語

由此可見，機床設(shè)計師在進行高速加工中心電主軸單元設(shè)計時，兼顧折中各方面因素，一定要權(quán)衡剛度、變形量和壽命等之間的利弊，取得最佳主軸系統(tǒng)的溫升控制和熱變形抑制。以上只是對機床熱變形研究和試驗分析，希望對機床電主軸系統(tǒng)設(shè)計者起到一定的幫助作用。

［1］張伯霖.高速切削技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2002.

［2］張靜.基于高速車銑復(fù)合加工中心電主軸系統(tǒng)研究［D］.蘭州:蘭州理工大學(xué)，2006.

［3］陳世坤.電動機設(shè)計［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1990.

［4］張振華.滾動軸承手冊［M］.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1996.

［5］劉菊東.機床空載功率的計算［J］.機械制造，1999(8):1 －4.