加工中心主軸溫升實驗裝置的設(shè)計

李繼堂

（億達(dá)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(xiàn)代制造業(yè)正向著高速度、高精度、高可靠性的方向發(fā)展，對主軸的技術(shù)要求越來越高，目前主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)上萬轉(zhuǎn)每分、精度也達(dá)到了微米級。因此主軸系統(tǒng)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(guān)重要的作用。主軸在工作時其前后支撐軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦熱是主軸系統(tǒng)的主要發(fā)熱源，因此通過測定主軸前后支撐軸承的旋轉(zhuǎn)摩擦熱，繪制出主軸軸承處的溫升曲線圖是判定主軸質(zhì)量的有效方法之一。

1 主軸溫升分析

主軸系統(tǒng)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(shù)據(jù)是必須的。

滾動軸承的發(fā)熱量計算公式為

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

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

此摩擦熱量的散發(fā)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(nèi)外環(huán)傳遞到機床體上，當(dāng)溫度上升到一定高度時發(fā)熱量等于散熱量，即達(dá)到熱平衡。主軸系統(tǒng)的零部件制造精度、裝配質(zhì)量將會直接影響主軸的溫升。

2 主軸實驗臺技術(shù)要求

主軸實驗臺對實驗中所采集的數(shù)據(jù)必須真實可靠，能夠充分反映出主軸系統(tǒng)實際工作時的熱特性。在實驗過程中可實現(xiàn)主軸從低速到高速自動逐級進行，并把每一轉(zhuǎn)速段所測的得溫升數(shù)據(jù)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(xiàn)多品種多規(guī)格的主軸實驗測試，主軸溫升實驗臺的參數(shù)要求如表1所示。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本實驗裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，考慮了以下幾個方面:

（1）應(yīng)能容易地實現(xiàn)多種規(guī)格主軸的實驗;

（2）實驗臺能夠模擬主軸系統(tǒng)實際工作環(huán)境;

（3）被試驗的主軸更換要方便;

（4）試驗數(shù)據(jù)實時跟蹤，試驗狀態(tài)可視;

試驗數(shù)據(jù)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(shù)

主軸實驗臺總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，實景如圖2所示。底座1是實驗臺基礎(chǔ)部件，它由碳素結(jié)構(gòu)鋼焊接而成并經(jīng)過高溫回火消應(yīng)力處理，其結(jié)構(gòu)堅固、穩(wěn)定。電動機支架2用于支撐和固定伺服電動機3用。聯(lián)軸器4直聯(lián)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(yīng)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(shè)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(dǎo)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(tǒng)

實驗臺的控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)選用了日本三菱數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。

5 潤滑冷卻系統(tǒng)

高速旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)時軸承處的溫升數(shù)據(jù)，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(tài)，采用了油霧潤滑冷卻裝置。該油霧潤滑冷卻系統(tǒng)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(zhuǎn)的摩擦熱帶走。

6 數(shù)據(jù)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(zhuǎn)速的測試時計算機會每隔一定的時間自動提取一次數(shù)據(jù)，在每檔轉(zhuǎn)速測試合格后自動進入下一檔轉(zhuǎn)速的測試，同時繪制出主軸在該轉(zhuǎn)速段的溫升曲線，如圖3所示。

7 結(jié)語

通過該主軸實驗臺可以把被測主軸在每一轉(zhuǎn)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(zhì)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(tǒng)的制造和裝配質(zhì)量，為改善主軸系統(tǒng)品質(zhì)提供了良好的依據(jù)。