加工中心主軸溫升實驗裝置的設計

李繼堂

（億達日平機床有限公司，遼寧大連 116023）

以加工中心機床為代表的現代制造業正向著高速度、高精度、高可靠性的方向發展，對主軸的技術要求越來越高，目前主軸轉速已達上萬轉每分、精度也達到了微米級。因此主軸系統的熱特性對加工中心機床的工作可靠性和精度保持性起著至關重要的作用。主軸在工作時其前后支撐軸承的旋轉摩擦熱是主軸系統的主要發熱源，因此通過測定主軸前后支撐軸承的旋轉摩擦熱，繪制出主軸軸承處的溫升曲線圖是判定主軸質量的有效方法之一。

1 主軸溫升分析

主軸系統的溫升主要來自于主軸前后支撐軸承的摩擦熱，軸承部位的溫升狀況直接反映了主軸的熱特性，因此通過實驗裝置采集前后支撐軸承處的溫升數據是必須的。

滾動軸承的發熱量計算公式為

式中:Q為單位時間發熱量，W;n為軸承轉速，r/min;M為軸承摩擦力矩，N·m。

如NH機床主軸的轉速為3 000 r/min時，其計算得到前后軸承的摩擦發熱量為:229.1 W，107.6 W。

此摩擦熱量的散發一部分通過油霧潤滑中的空氣流帶走，另一部分通過軸承內外環傳遞到機床體上，當溫度上升到一定高度時發熱量等于散熱量，即達到熱平衡。主軸系統的零部件制造精度、裝配質量將會直接影響主軸的溫升。

2 主軸實驗臺技術要求

主軸實驗臺對實驗中所采集的數據必須真實可靠，能夠充分反映出主軸系統實際工作時的熱特性。在實驗過程中可實現主軸從低速到高速自動逐級進行，并把每一轉速段所測的得溫升數據輸入計算機。

主軸實驗臺可以通過更換盡可能少的零部件即可實現多品種多規格的主軸實驗測試，主軸溫升實驗臺的參數要求如表1所示。

3 結構設計

本實驗裝置在結構設計時，考慮了以下幾個方面:

（1）應能容易地實現多種規格主軸的實驗;

（2）實驗臺能夠模擬主軸系統實際工作環境;

（3）被試驗的主軸更換要方便;

（4）試驗數據實時跟蹤，試驗狀態可視;

試驗數據自動采集，匯總分析，以圖表和曲線輸出。

表1 主軸溫升實驗臺參數

主軸實驗臺總體結構如圖1所示，實景如圖2所示。底座1是實驗臺基礎部件，它由碳素結構鋼焊接而成并經過高溫回火消應力處理，其結構堅固、穩定。電動機支架2用于支撐和固定伺服電動機3用。聯軸器4直聯電動機與主軸并把電動機的動力傳遞給主軸。主軸支撐底座7、支座8和11、主軸夾臂9和鎖緊螺釘10共同組成主軸夾緊裝置，不同型號的主軸對應不同的主軸夾緊裝置。該主軸夾緊裝置屬于可更換部件，它與主軸一同固定在實驗臺底座上。設計時考慮到更換主軸夾緊裝置的方便，同時保證徑向定位精度，主軸夾緊裝置采用了螺栓與實驗臺底座1連接，并用導向定位鍵6定位，保證主軸與伺服電動機的同軸度。溫度傳感器的放置可用橡皮泥粘貼在需要檢測的位置上。

4 電氣控制系統

實驗臺的控制系統、數據處理系統選用了日本三菱數據處理系統。

5 潤滑冷卻系統

高速旋轉中的加工中心主軸軸承對潤滑冷卻要求非常高，為了能夠真實地采集主軸運轉時軸承處的溫升數據，主軸軸承的潤滑冷卻仿真了主軸實際工作時的潤滑冷卻狀態，采用了油霧潤滑冷卻裝置。該油霧潤滑冷卻系統是把潤滑油進行霧化處理，以一定的氣體壓力吹入軸承處，由微小的油霧顆粒均勻地涂附在軸承上，氣體通過專用流道流出并把軸承旋轉的摩擦熱帶走。

6 數據分析及處理

主軸實驗是按低速到高速，逐級分段實驗。在某一轉速的測試時計算機會每隔一定的時間自動提取一次數據，在每檔轉速測試合格后自動進入下一檔轉速的測試，同時繪制出主軸在該轉速段的溫升曲線，如圖3所示。

7 結語

通過該主軸實驗臺可以把被測主軸在每一轉速下的溫升曲線繪出，并存入該主軸檔案，通過主軸溫升曲線的描繪，可以判斷分析主軸的質量狀況。主軸軸承處的溫升高低反映了軸承摩擦力矩的大小，同時也反映了主軸系統的制造和裝配質量，為改善主軸系統品質提供了良好的依據。