李新寧 楊錦斌

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

在機床的各種誤差源中，熱誤差是高速機床的最大誤差源，占機床總誤差的70%左右。主軸在高速運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大量的熱量使得主軸溫度升高，導致主軸變形，從而影響加工精度。因此有必要對主軸單元進行測試試驗，進而為主軸的熱變形量提出補償措施，提高高速機床的加工精度。

內(nèi)裝電動機發(fā)熱主要是電動機銅損和鐵損發(fā)熱;軸承發(fā)熱主要是滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦、潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的摩擦熱。上述各種摩擦隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而加劇，且電動機產(chǎn)生的熱量有一部分通過主軸傳遞給軸承，導致軸承發(fā)熱量更大，溫升增加。所產(chǎn)生熱變形使軸承的預(yù)緊量也隨之增加，產(chǎn)生更多的摩擦熱，限制了電主軸單元轉(zhuǎn)速的進一步提高，加速了軸承的磨損而使其精度、壽命下降。

1 電主軸溫升測試試驗

電主軸單元的發(fā)熱和溫升是一個動態(tài)過程。當主軸在不同的負荷率、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。負荷率越大、轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱量越大，溫升也越明顯。測試主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min下，筆者公司在主軸試驗室對電主軸單元進行了溫升特性測試動態(tài)試驗。

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

對電主軸單元進行了溫升特性測試動態(tài)試驗，根據(jù)溫度測試數(shù)據(jù)——溫度變化曲線，建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等因素的因果關(guān)系，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)繕巳缦?(1)測定主軸前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時的溫升。(2)分析軸承溫度上升的原因。(3)擬合出主軸前后軸承隨轉(zhuǎn)速上升的溫升曲線。(4)建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等因素的因果關(guān)系。

1.2 測試試驗原理

溫度傳感器熱電阻測溫原理是基于金屬導體的電阻值隨溫度的增加而增加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。

1.3 測試試驗數(shù)據(jù)處理

軸承表面的溫度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。

電主軸單元溫度測試試驗基本原理方框圖，見圖1所示。

1.4 測試試驗平臺設(shè)計

測試試驗平臺組成:溫度傳感器和銅套各4個，安裝位置見圖2所示;LMS信息采集系統(tǒng)，連接位置見圖3所示;10 m網(wǎng)線1根;計算機1臺。

2 測試試驗方法及步驟

測試試驗方法及步驟如下:

(1)分別在主軸前第二、第三、第四軸承和后軸承所對應(yīng)的主軸外壁各鉆1個直徑為10 mm剛好穿過軸承套筒的孔。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，使溫度傳感器前端接觸軸承外壁，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)，用螺母將銅套后端固定在主軸外壁。

(3)將主軸前第二、第三、第四軸承內(nèi)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，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)。

(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，在機床常用加工轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min內(nèi)，每隔5 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000r/min，測量分1 000～5 000r/min 5個檔次來進行實驗;在6 000～12 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每隔10 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，測量分6 000～12 000 r/min 7個檔次來進行實驗;在13 000～15 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每隔30 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，測量分13 000～15 000 r/min3個檔次來進行實驗。用4個溫度傳感器對各軸承溫度進行測試，打開溫度窗口，觀察測量溫度值。

(6)測試試驗結(jié)束，保存數(shù)據(jù)、停機。

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

注意:測試試驗時，相關(guān)人員遠離主軸前端，以免發(fā)生人身安全意外;注意主軸溫度安全，使軸承溫度在允許的范圍內(nèi)工作，如果超出軸承溫升允許范圍，應(yīng)立即停機。

3 測試試驗及數(shù)據(jù)分析

在電主軸試驗測試平臺上，將溫度傳感器安裝于電主軸單元前端(軸承的位置)，將其與溫度信號采集器以及PC機連接起來，通過LMS Test.Lab控制數(shù)據(jù)采樣進程。

3.1 測試試驗

對電主軸在不同轉(zhuǎn)速條件下的溫度特性進行了測試分析，LMS信息采集系統(tǒng)處理后的溫度傳感器測試溫升曲線如圖4～7所示。

從主軸前第二軸承溫升變化曲線(圖4)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min、10 000～11 000 r/min時，主軸前第二軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～9 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當主軸轉(zhuǎn)速、振動達到平衡時，主軸前第二軸承溫升達到穩(wěn)定平衡。

從主軸前第三軸承溫升變化曲線(圖5)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸前第三軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～8 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當主軸轉(zhuǎn)速、振動達到平衡時，主軸前第三軸承溫升達到穩(wěn)定平衡。

從主軸前第四軸承溫升變化曲線(圖6)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～7 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸前第四軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、8 000～9 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當主軸轉(zhuǎn)速、振動達到平衡時，主軸前第四軸承溫升達到穩(wěn)定平衡。從主軸后軸承溫升變化曲線(圖7)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸后軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～7 000 r/min之間，9 000 r/min、12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當主軸轉(zhuǎn)速、振動達到平衡時，主軸后軸承溫升達到穩(wěn)定平衡。

3.2 數(shù)據(jù)分析

從以上測試試驗數(shù)據(jù)可以看出，主軸前端第二、三、四軸承及后軸承的溫度從電主軸開機轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)速達到3 000 r/min時，溫升較快，在4 000～5 000 r/min時溫升曲線平緩，溫升較慢，我們將這一現(xiàn)象稱為“開機效應(yīng)”。這是因為電主軸單元剛開始運行時，潤滑、冷卻系統(tǒng)沒有提供足夠的潤滑作用和充分冷卻效果，然后隨著主軸單元運行達到穩(wěn)定狀態(tài)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)，使主軸的溫度變化穩(wěn)定在設(shè)計溫控范圍之內(nèi)。而前后軸承溫升最快的轉(zhuǎn)速區(qū)域集中在6 000 ～7 000 r/min、9 000 r/min、12 000 r/min 及15 000 r/min，從主軸軸承溫升曲線圖分析，主軸轉(zhuǎn)速在6 000～7 000 r/min時產(chǎn)生共振，因此軸承溫升較快。后軸承在7 000 r/min時溫升最快的主要原因是在主軸產(chǎn)生共振時，電主軸后端單個軸承支撐主軸，主軸后端的振動比主軸前端的振動更加激烈。前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速9 000 r/min時溫升相比主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min時溫升快，但相比電主軸在6 000～7 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)溫升慢，分析可知軸承溫升的原因可能有幾個方面的原因:轉(zhuǎn)速的升高，引起主軸內(nèi)碟簧的徑向振動進而引起前后軸承的微小振動進而引起軸承溫升;電主軸隨轉(zhuǎn)速的升高振動增大進而引起軸承內(nèi)滾珠的滑動，進而引起前后軸承較高的溫升。

軸承在12 000 r/min時，剛好主軸的振動頻率在主軸固有頻率的兩倍頻率上，進而引起主軸的共振，使前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速在12 000 r/min時溫升較快。由主軸在13 000～15 000 r/min時溫升的曲線可以看出，軸承溫度隨著主軸運行時間的增長而升高，而后逐漸趨于平穩(wěn)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)，使主軸的溫度變化穩(wěn)定在設(shè)計溫控范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

通過測試試驗數(shù)據(jù)——電主軸溫升曲線圖進行了電主軸溫度特性分析，找到了電主軸前后軸承溫升最快的轉(zhuǎn)速區(qū)域:6 000 ～7 000 r/min、9 000 r/min、12 000 r/min及15 000 r/min，主軸轉(zhuǎn)速在6 000～7 000 r/min、12 000 r/min時產(chǎn)生共振，導致溫度特性較差，在加工的時候應(yīng)避免這電主軸熱變形較大區(qū)域，其它轉(zhuǎn)速下的軸承溫度隨著主軸運行時間的增長而升高，而后逐漸趨于平穩(wěn)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運轉(zhuǎn)。電主軸單元溫度特性測試試驗為數(shù)控機床的動態(tài)研究和設(shè)計提供了依據(jù)和原始數(shù)據(jù)，在高檔數(shù)控機床研究開發(fā)中具有非凡的現(xiàn)實意義。