高速加工是一種以比（bǐ）常規切削速度（dù）高5 ～ 10 倍的速度進行切削加工的先進（jìn）工（gōng）藝，是當代四大先進製造技術之（zhī）一，而高速機床（chuáng）是實現高速加工的（de）前提條件。現代製造技術（shù）中，機床的高速化已成為一個不可阻擋的發展潮流，高速主軸單元是（shì）實現高（gāo）速切削的關鍵部件，是高速機床的心髒（zāng）部件，與傳（chuán）統（tǒng）的傳動方式相（xiàng）比，高速主軸單元采（cǎi）用了電主軸的形式，即為內裝式電動機，取消了諸如齒輪、皮帶（dài）等中間傳動環節，實現了機床的“零傳動”。

      采用電（diàn）主軸的（de）高速（sù）加工技術（shù）是目前機床行業非常（cháng）熱門的（de）一個話（huà）題。在（zài）高速切削機床中，由於主軸（zhóu）單元（yuán）係統各零件剛度和精度都較高，而負荷卻不是很大，主軸因切削力引起的加（jiā）工誤差較小。但內裝式電動機的功率損耗發熱（rè）和軸承（chéng）的（de）摩擦（cā）發熱不可忽視，在高速（sù）加工（gōng）中，電主軸的熱變形已成為影響機床加（jiā）工精度的主（zhǔ）要因素，機床熱（rè）變形造成的加工（gōng）誤差達到工件總加工誤差的60% ～ 80%。對高速電主軸（zhóu）的熱態特性進行分析（xī），以（yǐ）減小溫升和熱變形。對於高速機床（chuáng）來說，電主軸作為其核心部件，除需提高合理的剛度、精度外（wài），另外需考慮電（diàn）動機和（hé）主軸（zhóu）軸承的發熱及（jí）動平衡精度，原有機床主軸的設計理論已經不適合高速主軸係（xì）統的設計，由此引起（qǐ）了（le）高速主軸係統設計理念和理論的變（biàn）化。主（zhǔ）軸軸承高速下的（de）劇烈摩擦發熱和高頻電動機發熱（rè）會使主軸產生熱變形，甚至引起主軸係統失效，大大阻礙了新技術的發展。因此，高速電主軸技術在高速（sù）機床（chuáng）研究和發展中具有重要（yào）的意義，電主軸係統發熱分析及控製（zhì）措施在高速主軸係統中至關重要，是高速、高精度機床必須（xū）要考慮和解決的關鍵技術問（wèn）題（tí）之一。

      1 電主軸單元結構分析

      高速電主軸的典型結構如圖1 所示。主（zhǔ）電動機置於主軸前、後軸承之間，這是電主（zhǔ）軸的一（yī）種基本結構形式，它采用兩支承（chéng）結構，支承（chéng）受力方式為外撐式，前後軸承均分（fèn）別采（cǎi）用串聯安裝方式（shì），後支（zhī）承選用小尺寸軸承，降低了速度（dù）因數（shù）值，對主軸整體剛性影響（xiǎng）不大，對保持（chí）整個軸係（xì）的使用壽命（mìng）十分有利（lì），優點（diǎn）是主軸單元的軸向尺寸較短，主軸剛度大，功率大，較適合於大、中型高速機床，目前大多數電主軸（zhóu）都采用這種結構形式。

      電主軸單元的內裝式電動機轉子用熱裝方法安裝（zhuāng）在機床主軸上，處於前（qián）後軸（zhóu）承之間（jiān），由熱（rè）裝過盈配合產生的摩擦力來實現大轉矩的傳遞。在（zài）主軸上（shàng）取消了一切形式的鍵連接和螺紋連接（jiē），這種設計主要是為了容易使主軸運轉部分達到精確的動平（píng）衡。電主軸單元的內裝式（shì）電動機定（dìng）子通過一個冷卻套（tào）固定安裝在主軸箱的殼體中。主軸的轉速用AC 數字伺服主軸，進行伺服調速與矢量控（kòng）製來改變。

      2 電主軸（zhóu）單元熱源分析

      電主軸有兩（liǎng）個主要的內（nèi）部熱源: 內裝式電動（dòng）機的發熱和主軸軸承（chéng）的發熱。如（rú）果不加以控製，由此（cǐ）引起的熱變形會嚴重降低機床（chuáng）的加工精度和軸承使用壽命，從而導致電主軸的使（shǐ）用壽命縮短。

      2． 1 主軸軸承的發熱（rè）

      主軸（zhóu）軸承的（de）發熱主要是滾動體與滾（gǔn）道之間的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產生的滑動摩擦以及潤滑油的粘（zhān）性摩擦等（děng）產生的。把滾動軸承作為機械元件考慮時，摩擦力矩（jǔ）M 為負荷項M1和速度項M0之和，即

      式中: X0為徑向載荷係數; Fr為徑向載荷，N; Y0為軸（zhóu）向載荷係數; Fa為軸（zhóu）向載荷，N。

      軸承發熱（rè）量的計算: 軸（zhóu）承發熱量（liàng）Q 為Q = 1． 047 × 10 －4Mn式（shì）中: Q 為摩（mó）擦熱，kW; n 為軸承轉速，r /min; M 為軸承摩擦力矩，N·mm 。

      2． 2 內裝式電（diàn）動機發熱

      電主軸由於采用內裝式電動機主軸結構形式，位於主軸單（dān）元體中的內裝（zhuāng）式電動機不能（néng）采用風扇散熱，因此自然散熱條件較差。內裝式電動機在實現能量轉換過程中，內部產生（shēng）功率損耗，從而使內裝式電動機發熱。研究表明，在內裝式電（diàn）動（dòng）機高速運轉條（tiáo）件下，有近（jìn）1 /3 的發熱量由內裝式電動機轉子產生，並且轉子（zǐ）產生（shēng）的絕大部分熱（rè）量都（dōu）通過轉子與定子間的氣隙傳入（rù）定（dìng）子中; 其餘2 /3 的熱量產生於內裝（zhuāng）式電動機的定子。

      在確（què）定機床電動機功（gōng）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（hé）附加功率) 。即（jí）電動機功率N 為

      空載功率是機床在無切削負載時傳動（dòng）係統空轉所消耗的功率。其包括傳動係統中（zhōng）所有運動副的（de）摩擦、零（líng）件製造及裝配誤差引起（qǐ）的附加摩擦、傳動件的攪油、空氣（qì）阻（zǔ）力及動載荷離心力等（děng）所需消耗的功率（lǜ）等。它與有無負載及負載的大（dà）小無（wú）關，傳動件越多、轉（zhuǎn）速越高、皮帶和軸承（chéng）的（de）預緊力越大、裝配（pèi）質量越差（chà），則空載功率就越大。

      空載機械摩擦損耗的大小（xiǎo）主要取決於摩（mó）擦麵的種類和（hé）製造裝配的質（zhì）量摩擦麵上空載時的作用力( 傳動（dòng）件的重量（liàng）、偏（piān）心質量、軸承的（de）預緊力、皮帶拉力以及傳遞（dì）空載扭矩等) 摩擦係數及相對運（yùn）動速度。對一台已定的機床，各傳動件的（de）尺寸一定，在潤滑情況保持（chí）不變的條件下，則各傳動件的空載機械（xiè）摩擦（cā）損耗隨摩擦表麵相對轉速的提高而增加。可以認為空載機械摩擦功率損耗與（yǔ）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於傳動（dòng）件（jiàn）的種類、尺寸（cùn）大小、浸油深度、油的粘度、油溫的變化和傳動件的速度。對於（yú）一台結構一（yī）定的機床，在主軸箱內油麵高度固定不變（biàn）的（de）條件下，則各傳動件的攪油功率損耗隨轉速的提高而增加。一般可以認為各（gè）傳動件的攪油功率損耗與轉速的平方成比例。正常（cháng）情況下，對於采用飛濺（jiàn）潤滑的主軸箱來說，由於軸位（wèi）布局合理，浸油齒輪數目較（jiào）少，油麵（miàn）高度適宜，則攪油功率損耗占全部空載功（gōng）率損耗的（de）比例很小，可以忽略（luè）。空氣阻（zǔ）力損耗功率（lǜ）就更（gèng）小了，也（yě）可以忽略不計。這樣機床空載功率（lǜ）損耗的總數，可以近似地認為機床主傳動係統（tǒng）空載功率與主軸箱全部軸之和成正比關係。

      機床主傳動係（xì）統空（kōng）載功率可以近似計算，機（jī）床空載功率經驗公式:

      2． 3 電主軸的動平衡

      由於不平（píng）衡質量是以主軸的（de）轉速（sù）二次方影（yǐng）響主（zhǔ）軸動態（tài）性能的，所以主（zhǔ）軸的轉速越（yuè）高，主軸不平衡量引起的動（dòng）態問題越嚴重。對（duì）於電主軸來說，由於電動機轉子直（zhí）接過盈（yíng）固定在主軸上，增加了主軸的轉動（dòng）質量，使主（zhǔ）軸的極限頻率下降（jiàng），因此超高速電主軸的（de）動（dòng）平衡精度應嚴格要求，一般應達到G1 ～ G0. 4 級( G = eω，e 為質（zhì）量中（zhōng）心與回轉中心之間的位（wèi）移（yí），即偏心量; ω 為角速度) 。對（duì）於這種等級的動平衡要求，采用（yòng）常規的方法僅在裝配前對主軸的每個零件分別進行動平衡是（shì）不夠的，還需在裝配後進（jìn）行整體精確動平衡，以確保主軸高速平穩運行。

      主（zhǔ）軸動平（píng）衡常用方法有兩種（zhǒng）: 去重法和增重法。普通主軸和主軸單元（yuán）通常采用去重法。該平衡法是在其他零件安（ān）裝到主軸上後進行整體動平衡時，根據要求在去重盤處切去不平衡量。高速主軸單元和（hé）電主軸單元通常（cháng）采用增重法。增重法是近年來為適應高速主軸發展需要而開發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（héng）盤的圓（yuán）周方向設計有均勻分布（bù）的螺（luó）紋孔，其他相（xiàng）關零件安裝到（dào）主軸上（shàng）後進行主軸組件整體（tǐ）動平衡時，不是（shì）在平衡盤上去重，而是在螺紋孔內擰入平衡錐端緊定螺釘，以平衡錐（zhuī）端緊定螺釘的擰入（rù）深度和周向位置來平衡主軸組件的偏心量。

      3 電主軸溫升的抑製措施

      3． 1 減小軸承（chéng）發熱量的措（cuò）施

      3． 1． 1 適當減小軸承滾珠直徑

      減（jiǎn）小滾珠直徑可以減小離心力，從而（ér）減小摩擦力矩。但是（shì），滾珠直徑的減小應以不過多削弱軸承的剛（gāng）度為限。一般高速精（jīng）密滾動軸（zhóu）承的滾珠直徑約為標準係列滾珠軸承滾珠（zhū）直徑的70% ，而且做成小直徑密珠的結構形式，通（tōng）過增加軸承的滾珠（zhū）數和滾珠與內（nèi）外套圈的（de）接觸點，提高滾珠軸承的剛度。

      3． 1． 2 采用新材（cái）料

      陶瓷球軸（zhóu）承與鋼質角接觸球軸承相比，在高速回轉時，滾珠與滾道間的滾動和滑動摩擦減（jiǎn）小，發熱量降低。比如陶瓷球軸承與鋼質角接觸球（qiú）軸承相比的主要優點有:

      ( 1) 質量輕。材料密度僅為3. 218 × 103 kg /m3，隻相當於鋼球的（de）40%。在高速回轉時，滾動體的（de）離心（xīn）力和陀螺（luó）力矩可顯著（zhe）減小從而接觸應力減小，摩擦功耗下降，發熱量降低。

      ( 2) 線膨脹係數小（xiǎo）。α = 3. 2 × 10 － 6 /℃，約為鋼（gāng）球的25% ，使得在不同溫升的條件下，球與內外環的配合間隙變化（huà）小，提高了軸承工作的可靠性，並減小了溫升導致的軸承軸向位移，也使（shǐ）得預加載荷變化小。

      3． 2 電主軸單元發熱的解（jiě）決方法

      電主軸單元異常發熱後如何將熱量盡快帶走，從（cóng）而有（yǒu）效（xiào）控製溫升。

      3． 2． 1 主軸軸承的潤滑冷卻措施———油氣（qì）潤滑係統

      油氣潤滑是將微量的潤滑油均勻、連續地混入壓縮空氣流，再（zài）把（bǎ）它噴入要潤滑的（de）摩（mó）擦副內的一種潤滑（huá）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。雖油氣潤滑係統比較昂貴，但對於高精密加工中心（xīn）來說（shuō），一套油氣潤滑係（xì）統不（bú）至於將產（chǎn）品成本提（tí）高很多。

      油（yóu）氣潤滑在加工中心中應用，應注意（yì）以下事項: ①噴嘴距滾動軸承端麵的距離（lí）可在3 ～ 25 mm 之間; ②在軸承腔（qiāng）壁上需（xū）開設排氣孔，以便流（liú）通; ③油氣潤（rùn）滑係統的用油（yóu）量極少，大約（yuē）1 mL /h; ④油氣潤（rùn）滑（huá）係統的含油量: 采用油氣潤滑時（shí）影響軸承溫升的因素之（zhī）一是供油量。供油量（liàng）決定著油氣兩者混合流中的含油量（liàng），給定速度下的軸承溫升（shēng）與該含油量有關，初始階段軸承溫升隨含油量增加而迅速下降，而後其影響減弱，當含油量增加到某一數值後溫升緩慢增加，繼而急劇上升，因而油氣兩者的混合流中的含油（yóu）量達到（dào）一個（gè）最佳值，才能既保證（zhèng）軸承的潤滑充足又保證軸承的強力冷（lěng）卻。為此，油氣潤滑係統參數確（què）定為: 空氣壓力為0. 4MPa，空氣流量為( 3. 3 ～ 6. 7) × 10 － 4 m3 /s，潤滑油運動粘度為32 mm2 /s，潤（rùn）滑油流量（liàng）約（yuē）為( 0. 28 ～ 0. 83) ×10 － 10 m3 /s，調整潤滑油流量取（qǔ）得最佳含油量; ⑤油氣潤滑（huá）係統供（gòng）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（zhǔ）要參數是供油頻率。為了獲得合適的供油量，不能隻降低（dī）供油頻率（lǜ），而是合理匹配活塞直徑、衝程、供（gòng）油頻率( 2 ～ 8 min) ，取得最佳方案，獲（huò）得理想（xiǎng）的供油量。軸承潤滑方式的選擇與軸承的轉速、負荷、許用溫升及軸承類型有關（guān），一般根據速（sù）度因數dm·n 值（zhí）選擇。

      其中: dm為軸承（chéng）中（zhōng）徑( mm) : n 為工作轉速( r /min) 。采用油氣潤滑係統來解決高速電主軸中陶（táo）瓷（cí）球軸承（chéng）的潤滑與冷卻問題，如圖2 所示。

      油氣潤（rùn）滑係統的基（jī）本原理是，利用具有一定壓力的壓縮空氣和由定量分配（pèi）器每隔一定時間定量（liàng）輸出微量的潤滑油，在一定（dìng）長度的管道中（zhōng）混合，通過壓縮空氣在管道中的流動，帶（dài）動潤滑油沿管道內壁不斷地流動，把油氣混合物輸送（sòng）到（dào）安裝於軸承（chéng）近處的噴（pēn）嘴( 孔徑1mm 中) ，經噴（pēn）嘴射向內圈和滾動體的接觸點實現潤滑和冷（lěng）卻，達到“最佳供（gòng）油（yóu）量”和“壓縮空氣進（jìn）行冷卻”

      油（yóu）氣潤滑與（yǔ）油霧潤滑的主要區別在於供給（gěi）軸承的潤滑油未被（bèi）霧化，而是以油粒狀被壓縮（suō）空（kōng）氣（qì）吹入軸承，向大氣中排放的（de）僅是空氣，因此（cǐ）對環境沒有汙染（rǎn）。具有一定壓力的潤滑油在接觸（chù）點除潤滑外還有帶走熱量和密封的作用。由（yóu）於油滴是噴射而出（chū），故可（kě）穿透在（zài）高速運轉時由於離心力的（de）作用（yòng）而在軸承周圍形成的空氣渦流，實現潤滑軸承的目的。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（yòng）油霧潤滑時要（yào）低很多。實驗表明，使用油氣潤滑的軸（zhóu）承溫升（shēng）可比使用脂潤滑時（shí）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（rùn）滑的目的是減少軸承內部（bù）摩擦及磨損，防止燒粘，延長疲勞壽命，排出摩擦熱，冷卻。傳統的滾動軸承潤滑方法，如油浴潤滑法、油（yóu）杯潤滑法、飛濺潤滑法、循（xún）環潤（rùn）滑法和油霧潤滑（huá）法等已均不能滿足高速主軸軸（zhóu）承對潤滑的（de）要求，這是因為高速主軸軸承不僅對油的粘度有嚴格要求（qiú），而且（qiě）對供油量也（yě）有著嚴格要求。為了獲得最佳（jiā）的潤滑效果，供（gòng）油量過多或過少都是有（yǒu）害的。而油氣潤滑係統則可以精確地控製各個摩擦（cā）點（diǎn）的（de）潤（rùn）滑（huá）油量，可靠性極高，因而可在高速主軸軸承領域應用。

      3． 2． 2 主（zhǔ）軸軸承外環和內裝式電動機（jī）的循（xún）環冷卻措施（shī）———油—水熱交換係（xì）統

      為了提高軸承外環的散熱效果，在主軸設計中可（kě）采用主軸套筒螺（luó）旋槽冷卻劑（jì）熱交換係統，對主（zhǔ）軸套筒進行強製冷（lěng）卻，從而帶走主軸軸承外環異（yì）常產生的熱量。主軸套筒螺旋（xuán）槽冷卻劑熱交換係統采用連續、大流（liú）量、冷卻液對主軸套筒進行（háng）循環冷卻，冷卻液從主軸套筒上的入油口輸入，通過主（zhǔ）軸軸承外環主軸套筒上的螺旋槽，與主軸套筒進行充分的熱交換，將主軸軸承外環產（chǎn）生的絕大部分熱量轉移到（dào）冷（lěng）卻液中，從主軸套筒上的出油口輸出，然後流經熱交換器，進行再一次熱交換，將冷卻液溫度（dù）降（jiàng）到接近室溫後，流（liú）回冷（lěng）卻箱，再經過壓力泵增壓輸到入油口，從而（ér）實現循環冷卻。

      主軸套筒螺旋槽冷卻劑熱交換係統（tǒng）在加工中心中應用，應考慮以下內容: ①冷卻劑的選擇（zé）: 常用的冷（lěng）卻劑有製冷劑、水、油及油水混合物，因產品（pǐn）具體情況選（xuǎn）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（lài）; ②冷卻液或油或油水混合物冷卻時（shí）介質壓力約0. 4 MPa 為宜，介質流量約50 L /min 為宜（yí）。由於主軸電動機兩（liǎng）端就是主軸軸承，電動機的發熱會直接降低軸承的工作精度，如果主電（diàn）動（dòng）機的散熱解決得不好，將會影響到機床工（gōng）作（zuò）的可靠性和穩定性。有限元分（fèn）析表明，電主軸的定子和轉子是電主軸的兩大熱源。另外，電（diàn）動機高速運轉條件下，有近1 /3 的電（diàn）動機發熱量是由電動機轉子產生的，並且轉子產生的絕大部分熱量都通過轉子與定子間的氣隙傳入定子中，隻有（yǒu）少部分（fèn）熱（rè）量直接傳入主（zhǔ）軸和端蓋上，其餘2 /3的熱量產生（shēng）於電動機定子（zǐ）。轉子散熱條（tiáo）件差，又直接（jiē）安（ān）裝在主軸上（shàng），設計中應盡（jìn）量減小電動機（jī）徑向傳熱熱阻，使轉子的（de）發熱量盡可能（néng）多地通過氣隙傳到定子和殼（ké）體中去，並由冷卻（què）液帶走。為了（le）提高（gāo）散（sàn）熱效果，保證電動機的絕緣（yuán）安全，高速（sù）電（diàn）主軸采用油一水熱交換循環冷卻係統如圖3 所（suǒ）示。係（xì）統采用連續、大流量、冷卻（què）油對定子進行循環冷卻（què），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（diàn）動機定子進（jìn）行充分的熱交（jiāo）換，將電動機產生的絕大部分熱（rè）量轉移到油中，從殼體的出油口輸出，然後流經（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後，流回油（yóu）箱，再經過壓力泵增壓輸到入油口，從而實現循環冷卻（què）。根據主軸（zhóu）電動（dòng）機（jī）的要求，冷卻油的入口溫度T 在10 ～ 40 ℃之間，溫升不得超過10 ℃。

      現有的高速主軸主要是通過在主軸殼體內加冷卻油，並不斷地循環，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（yóu）溫控製器流出冷卻油（yóu），經過在靠近前端蓋的入水口，冷卻油進入前端軸（zhóu）承的外圍，對前端軸（zhóu）承進行冷（lěng）卻。接著流向主軸的定子和後端軸承進行冷卻，最後從出水口流回主軸冷卻（què）油（yóu）溫控製器完（wán）成循環。

      3． 2． 3 主軸（zhóu）軸（zhóu）承內環和內裝式電動機轉子（zǐ）的冷卻措（cuò）施———B 型內冷

      采用主（zhǔ）軸套（tào）筒螺旋槽冷卻液熱交（jiāo）換（huàn）係統，與不采用主軸套筒（tǒng）熱（rè）交換係統冷卻時軸（zhóu）承內環的溫度也下降了一些，隻有4 ～ 5 ℃，這表明主軸套筒熱交換係統對軸承內環（huán）的散熱（rè）效果不明顯（xiǎn）。要（yào）減少主（zhǔ）軸軸承（chéng）內（nèi）環的溫升和熱影響，必須采用冷卻劑對主軸中心孔冷卻( B型內冷（lěng）) ，提高主軸軸承內環的散（sàn）熱來實（shí）現。

      4 試驗分析

      主（zhǔ）軸單元的發（fā）熱（rè）和溫升是一個動態過程。當主軸在不同的負荷率、不同的轉速下運轉時，主軸的發熱（rè）和溫升是有所不同的。負荷率（lǜ）越大、轉速越高，發熱量越大，溫升也越明顯。為此，我們做（zuò）了主軸轉速為1 000～ 15 000 r /min 時，主（zhǔ）軸前端第二、第三、第四和主軸後軸承、進出油口處的溫度測試動（dòng）態試驗。

      4． 1 試驗目的

      對（duì）HMC80 臥式加工中心主（zhǔ）軸單元進行溫度測試，根據溫度測試數據，擬合出主軸前後軸承的溫度變化曲線，建立溫度與時（shí）間、轉速、位移（yí）等關係的（de）數學模型，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，實現對主軸的溫度控製，提（tí）高高速機床（chuáng）的（de）加工精度。具體（tǐ）實（shí）驗目標（biāo）如下: ( 1) 測定（dìng）主軸前（qián）後軸承（chéng）及進出油口在主（zhǔ）軸（zhóu）轉速為1 000 ～ 15 000r /min 時（shí）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（qián）後軸承及進出油口隨（suí）轉（zhuǎn）速上（shàng）升的溫升曲（qǔ）線; ( 4) 建立溫度與時間、轉速、位移等關係的數學模（mó）型。

      4． 2 試驗條件

      本試驗采用青海一機（jī）HMC80 臥式加工中心的自製高速電主軸係統，在（zài）青海一機主軸試驗台上進行測（cè）試。主（zhǔ）軸定子、轉子采用FANUC AC 伺服電動機，電動機功率25 /30 kW; 前軸承采用小滾珠（zhū）陶瓷球軸承，後軸承采用單列短圓柱滾（gǔn）子軸承; 主軸前後軸承外圈和電動機定子具有循環（huán）冷卻（què）。

      4． 3 測試（shì）原理（lǐ）

      溫度傳感器熱電阻測溫原理是基於金屬導體的電阻值（zhí）隨溫度的升高而增大這一特性來進（jìn）行溫（wēn）度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料製成，目前應用最多的是鉑和銅。軸承表麵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換，然（rán）後傳給LMS 數據信號采集（jí）係統對模擬電信號進（jìn）行采樣，把采樣數據送工控機程序進行數據處理，轉化成數字信號。

      4． 4 試（shì）驗具（jù）體方法（fǎ）步（bù）驟

      溫度測試動態試驗具體步驟如下:

      ( 1) 分別在主（zhǔ）軸前端與第二、第三、第四和後軸承所對應的主（zhǔ）軸箱外壁鑽一個（gè）直徑為10 mm 的孔，使孔剛好穿過主軸套筒。再加工4 個外（wài）徑為10 mm，內徑為6 mm，長度（dù）為37 mm 的空心圓柱銅套。

      ( 2) 將直徑為5 mm的（de）溫度（dù）傳（chuán）感器裝入銅套螺（luó）母，使溫度傳感（gǎn）器前端（duān）接（jiē）觸軸承外圈（quān），用密封膠帶將傳感器與銅套前端內壁固定，再通過螺紋連接（jiē）將銅套外壁端固定在孔內，用銅套螺母將（jiāng）銅套（tào）後端固（gù）定在主軸箱外壁( 見圖4) 。在主（zhǔ）軸進出油（yóu）口處分別裝（zhuāng）上三通，再將溫（wēn）度傳感器通過螺紋連接在主軸（zhóu）進出油口處三通上。

      ( 3) 將主軸（zhóu）前（qián）端第二、第三、第四和主軸後軸承內的4 個溫度（dù）傳感（gǎn）器分別插入信號采集（jí）係（xì）統與之對應的第（dì）1、第2、第3 和（hé）第（dì）4 接口內( 這4 個溫度傳感器分別是（shì）計算機LMS 軟件係統通道設置對應的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係統與（yǔ）之對應的第5、第（dì）6 接口（kǒu）內( 後兩個溫度傳（chuán）感器分別是計算（suàn）機LMS 軟件係統通道設置對應的（de）T5、T6) 。

      ( 4) 接通電（diàn）源，將計算機與信（xìn）號采集係統用網線聯接，打開信（xìn）號采集係統開關，再打開Test． Lab Signature軟件，對（duì）溫度傳感器進行通道（dào）設置（zhì）。

      ( 5) 運行電（diàn）主軸（zhóu），每隔20 min 調整一次主軸轉速，每次轉速調整上升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（kǒu），觀察（chá）測量溫度值。

      ( 6) 實驗完畢，保（bǎo）存數據，停機。將LMS 測得數據轉（zhuǎn）換為Excell 格式，通過Matlab軟件模（mó）擬（nǐ）出T1、T2、T3、T4、T5、T6 在不同（tóng）轉速下的溫升曲線圖。

      4． 5 測試（shì）溫（wēn）升曲線圖

      主軸前端第（dì）二、第三、第四和（hé）主軸後軸承、進出油口處在主軸1 000 ～ 15 000 r /min 轉速（sù）下的溫升測（cè）試曲線如圖5 ～ 10 所示。

      4． 6 測試結果（guǒ）

      本試驗采用比利時多通道動態監測儀，選用（yòng）高（gāo）精度pt 100 溫度傳感器作為數控機床（chuáng）主軸軸承溫度的直接檢測元件，通過對電主軸不同轉速（sù）下電主軸軸承外圈溫度的直接測量尋（xún）找最（zuì）佳溫升情況（kuàng）下（xià）冷卻係統流量（liàng）、油—氣潤滑量及軸承預緊的相互匹配關係。在實驗中（zhōng）發現: 在轉速達到12 000 r / min時主軸溫升在30 ℃左右，並且在運轉約30 min 後，能達到熱平衡狀態; 在13 000 ～ 15 000 r /min 時主軸溫度連（lián）續上（shàng）升，運（yùn）轉30 min 後溫度繼續上升，最高溫度能達到50 ℃左右。另外通過對比，當主軸連續運行（háng）30 min 後（hòu），主軸錐孔中的溫度（dù）與軸承外圈溫度傳感器直接測定（dìng）的溫度相差約2 ～ 3 ℃，這也為以後主機上無法直接測量主軸溫升，用間（jiān）接法測量主軸溫升提供了參考。

      5 結語

      由此可見，機床設計師在進行高速加工中心電主軸單元（yuán）設計時（shí），兼顧折中各方麵因素，一定要權衡剛度、變形量和壽命等之間的（de）利弊，取得（dé）最（zuì）佳主軸係統的溫升控製和熱變形抑製。以上隻是對（duì）機床熱變形研究和試驗分析，希望（wàng）對機床電主（zhǔ）軸係統設計（jì）者（zhě）起到一（yī）定的（de）幫（bāng）助作用。