加工中心主轴温升实验装置的设计

李继堂

（亿达日平机床有限公司，辽宁大连 116023）

以加工中心机床为代表的现代制造业正向着高速度、高精度、高可靠性的方向发展，对主轴的技术要求越来越高，目前主轴转速已达上万转每分、精度也达到了微米级。因此主轴系统的热特性对加工中心机床的工作可靠性和精度保持性起着至关重要的作用。主轴在工作时其前后支撑轴承的旋转摩擦热是主轴系统的主要发热源，因此通过测定主轴前后支撑轴承的旋转摩擦热，绘制出主轴轴承处的温升曲线图是判定主轴质量的有效方法之一。

1 主轴温升分析

主轴系统的温升主要来自于主轴前后支撑轴承的摩擦热，轴承部位的温升状况直接反映了主轴的热特性，因此通过实验装置采集前后支撑轴承处的温升数据是必须的。

滚动轴承的发热量计算公式为

式中:Q为单位时间发热量，W;n为轴承转速，r/min;M为轴承摩擦力矩，N·m。

如NH机床主轴的转速为3 000 r/min时，其计算得到前后轴承的摩擦发热量为:229.1 W，107.6 W。

此摩擦热量的散发一部分通过油雾润滑中的空气流带走，另一部分通过轴承内外环传递到机床体上，当温度上升到一定高度时发热量等于散热量，即达到热平衡。主轴系统的零部件制造精度、装配质量将会直接影响主轴的温升。

2 主轴实验台技术要求

主轴实验台对实验中所采集的数据必须真实可靠，能够充分反映出主轴系统实际工作时的热特性。在实验过程中可实现主轴从低速到高速自动逐级进行，并把每一转速段所测的得温升数据输入计算机。

主轴实验台可以通过更换尽可能少的零部件即可实现多品种多规格的主轴实验测试，主轴温升实验台的参数要求如表1所示。

3 结构设计

本实验装置在结构设计时，考虑了以下几个方面:

（1）应能容易地实现多种规格主轴的实验;

（2）实验台能够模拟主轴系统实际工作环境;

（3）被试验的主轴更换要方便;

（4）试验数据实时跟踪，试验状态可视;

试验数据自动采集，汇总分析，以图表和曲线输出。

表1 主轴温升实验台参数

主轴实验台总体结构如图1所示，实景如图2所示。底座1是实验台基础部件，它由碳素结构钢焊接而成并经过高温回火消应力处理，其结构坚固、稳定。电动机支架2用于支撑和固定伺服电动机3用。联轴器4直联电动机与主轴并把电动机的动力传递给主轴。主轴支撑底座7、支座8和11、主轴夹臂9和锁紧螺钉10共同组成主轴夹紧装置，不同型号的主轴对应不同的主轴夹紧装置。该主轴夹紧装置属于可更换部件，它与主轴一同固定在实验台底座上。设计时考虑到更换主轴夹紧装置的方便，同时保证径向定位精度，主轴夹紧装置采用了螺栓与实验台底座1连接，并用导向定位键6定位，保证主轴与伺服电动机的同轴度。温度传感器的放置可用橡皮泥粘贴在需要检测的位置上。

4 电气控制系统

实验台的控制系统、数据处理系统选用了日本三菱数据处理系统。

5 润滑冷却系统

高速旋转中的加工中心主轴轴承对润滑冷却要求非常高，为了能够真实地采集主轴运转时轴承处的温升数据，主轴轴承的润滑冷却仿真了主轴实际工作时的润滑冷却状态，采用了油雾润滑冷却装置。该油雾润滑冷却系统是把润滑油进行雾化处理，以一定的气体压力吹入轴承处，由微小的油雾颗粒均匀地涂附在轴承上，气体通过专用流道流出并把轴承旋转的摩擦热带走。

6 数据分析及处理

主轴实验是按低速到高速，逐级分段实验。在某一转速的测试时计算机会每隔一定的时间自动提取一次数据，在每档转速测试合格后自动进入下一档转速的测试，同时绘制出主轴在该转速段的温升曲线，如图3所示。

7 结语

通过该主轴实验台可以把被测主轴在每一转速下的温升曲线绘出，并存入该主轴档案，通过主轴温升曲线的描绘，可以判断分析主轴的质量状况。主轴轴承处的温升高低反映了轴承摩擦力矩的大小，同时也反映了主轴系统的制造和装配质量，为改善主轴系统品质提供了良好的依据。