【導讀】近幾十年來，在新技術革命的推動下，特別是伴隨著數控技術的不斷發(fā)展，高速主軸系統(tǒng)也已成為最適宜于這些高性能工況的數控機床核心功能部。目前，在國內對高速電主軸系統(tǒng)的技術性能指標的測試與評價尚無統(tǒng)一。的標準，均以行業(yè)或企業(yè)標準來執(zhí)行。本論文在正是在此環(huán)境下討論了高速電主。研究了高速電主軸回轉精度的測試方法。對徑向跳動和端面跳動的測試。據的差異，發(fā)現(xiàn)短檢驗棒法的測試誤差低于兩指示器法。用靜態(tài)應變測試儀并分別測試。倍左右，同時提出了提高靜剛度的措施。明了噪聲隨著主軸轉速提高而逐漸上升的結論。

　　

【正文】 置）及夾緊或非夾緊狀態(tài) 。 ○ 2 模擬刀具和（或）模擬工件的形狀、尺寸和技術要求。 ○ 3 加載力的大小、方向及施力點的位置（要求加載力為機床設計的最大切削力或切削 分力的 2/3；力的方向和施力點位置符合通常加工情況） 。 ○ 4 位 移測點的位置及測試方向（要求在影響加工精度的主要方向與平面內）。 ○ 5 加載力和位移測試裝置。 ○ 6 相對位移量的最大允許值。 由于靜 剛度 是整個測試系統(tǒng)各部件變形的綜合量，因此為了測試主軸部件的剛度需要制造專門的實驗裝置，如圖 所示。其原則是盡量減少過渡環(huán)節(jié)，且將支承件做得粗壯，減少施力點與支承間距離以減少彎曲變形的影響。 每次測試前均應使主軸運轉至穩(wěn)定狀態(tài) 后才能開始測試數據。 按照以上的規(guī)定，在測試時作了以下內容： ○ 1 被測電主軸用專用的實驗臺進行固定，處于夾緊狀態(tài)。 ○ 2 由于被測電主軸沒有和機床相連接，故沒有模擬刀具和工件。 ○ 3 按照外圓磨床精度檢驗標準（ GB/T 46851994），其 相對位移量的最大允 許值 為 1~2μ m。 ○ 4 位移測點的位置 在電主軸的正上方（與施力點的位置相對）。 ○ 5 用螺旋式千斤頂進行 施力，用力傳感器進行測試。 ○ 6 施力點的位置 在電主軸的正下方。施力過程應緩慢進行，在達到允許的重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 電主軸靜剛度的測試 19 最大位移量后，應立即停止加力，并在此情況下保持 1～ 2 分鐘，待測試儀器讀數穩(wěn)定后再卸載。 剛度的測 試 位置 示意 如圖 所示 。測試徑向剛度時應盡量使加載力靠近軸端位置。實際測試位置如圖 、 所示。 圖 軸向剛度和徑向剛度測 試 位置 原理 圖 Axial and radial stiffness testing schematic diagram 圖 徑向剛度 實際 測試圖 The radial stiffness test picture 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 電主軸靜剛度的測試 20 圖 軸 向剛度 實際 測試圖 The axial stiffness test picture 靜剛度的測 試 儀器介紹 DH3818 靜態(tài)應變測試儀，力傳感器的量程為 500kg。如圖 所示。 圖 DH3818 靜態(tài)應變測試儀 The static strain test equipment of DH3818 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 電主軸靜剛度的測試 21 靜剛度的測 試 數據 ○ 1 6 萬轉電主軸測試數據。見表 。 測試的應變值均在軸端變形量為 2μ m 時測定的。儀器的標定為 1kg=。 表 6 萬轉電主軸 徑向 剛度 測試數據 The radial stiffness test data to electronic spindle of 60,000 ○ 2 萬轉電主軸測試數據。見表 。 測試的應變值均在軸端變形量為 2μ m 時測定的。儀器標定為 1kg=。 表 萬轉電主軸 剛度 測試數據 The stiffness test data to electronic spindle of 15,000 由于電主軸的剛度數值目前尚未有統(tǒng)一的國際標準，因此我們以德國 GMN 公司 電主軸的剛度值作為參考。如表 所示。 測 試 次數 應變量 （με /μ m） 力（ kg） 剛度值 （ N/μ m） 1 728 372 2 726 371 3 768 80 392 4 751 383 5 754 385 6 742 379 平均值 745 380 測 試 次數 徑向剛度 軸向剛度 應變量 （με /μ m） 力（ kg） 剛度值 （ N/μ m） 應變量 （με /μ m） 力（ kg） 剛度值 （ N/μ m） 1 589 565 322 309 2 604 580 268 257 3 591 568 286 275 4 610 586 245 235 5 592 568 252 242 6 613 589 263 253 平均值 600 118 576 273 54 262 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 電主軸靜剛度的測試 22 表 GMN 公司若干電主軸的剛度值 [1] GMN panies several stiffness value of electronic spindle 主軸類別 油氣 潤滑 油脂 潤滑 套筒 外徑 /mm 最大轉速 nmax/ r/min 額定轉速 n0/(r/min) 軸向靜剛度（ N/μ m） 徑向靜剛度（ N/μ m） 重量 /Kg ≈ HC120c60000/5 ● 120 60000 60000 30 82 16 HC120c50000/8 ● 120 50000 30000 60 125 22 HC100cg60000/2 ● 100 60000 45000 20 45 10 HC100cg50000/2 ● 100 50000 45000 25 55 10 HC170cg18000/16 ● 170 18000 10000 132 295 57 HC170cg12020/16 ● 170 12020 7500 140 350 64 HC230cg12020/17 ● 230 12020 4500 140 350 125 對比表 ~ 中的數據可以看出， 15000 和 60000 轉電主軸的徑向剛度值相差 196 N/μ m左右 ；而 15000 轉電主軸的徑向剛度和軸向剛度相差 314 N/μ m左右 。 從以上數據可以看出轉速低的電主軸要比轉速高 的電主軸剛度大，且徑向剛度要比軸向剛度大得多，約為其 ～ 倍。 提高主軸系統(tǒng)剛性的措施 通過以上分析可以看出，主軸系統(tǒng)的剛度對加工過程的影響非常大，因此提 高其剛性將具有及其重要的意義?？蓮?以下措施 提高主軸軸承系統(tǒng)剛性 ： ○ 1 提高主軸 本身 剛性 磨床的砂輪主軸多數采用兩點支承，要使主軸剛性好，必須使主軸受力的前 端撓度值小，通過選擇合理的參數 （如：盡量縮短主軸前端懸伸量，選擇最佳的 主要支承間跨距等） 可以減少主軸的撓度 。 ○ 2 提高 主軸組件的制造與裝配質量 和結構尺寸 等 。 ○ 3 提高軸承剛性 。如選用陶瓷滾動軸承等。 ○ 4 合理布置軸承的配置方式。 ○ 5 提高軸承接觸剛性 。 目前軸承接觸剛性是主軸軸承系統(tǒng)剛性的薄弱環(huán)節(jié)，須予以足夠重視。 提高軸承的接觸剛性措施 ： (1) 減小層次，因為多一個層次就多一個結合面，會增加接觸變形。 (2) 適當增加接觸面積 。如對軸承進行合理的預緊。 重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 3 電主軸靜剛度的測試 23 (3) 通過一定的技術要求和工藝措施，提高零件的加工精度和 減小 表面 粗糙 度 來增加 有效的接觸面積。 本章小結 本章主要討論了電主軸靜剛度的測試方法和手段。測試過程中由于受測試裝備的限制，我們對 6 萬轉電主軸只測試了它的徑向剛度。而對 萬轉電主軸測試了它的徑向和軸向剛度。 從測試的 數值 可以看出，電主軸的剛度值 隨電主軸的套筒大小而變化。而同樣大小尺寸的套筒其剛度數值隨最高轉速高低而變化 ， 一般最高轉速高的剛度 ，小于最高轉速低的剛度。這既反映 了電主軸工作的實際需要 ， 又與轉速高時預加載荷較小有關。 N/ μ m ）重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 4 電主軸靜噪聲測試 24 0p lg20 PPL ? 4 電主軸噪聲測試 噪聲是污染環(huán)境的三大公害之一，電機噪聲又是環(huán)境 噪聲的主要來源之一。目前，電機的噪聲不只是作為環(huán)境污染的噪聲源指標，也是電機設計、工藝和裝配水平的綜合反映。在電機產品的技術條件中作為性能指標之一，電機的噪聲已成為一項對電機產品競爭力有很大影響的性能指標 [29]。 概述 按照產生原因的不同，電機噪聲可分為電磁噪聲、機械噪聲和空氣動力噪聲等。電磁噪聲是指電機中由電磁原因產生的電磁力引起電磁振動而產生的噪聲；機械噪聲是指軸承的摩擦、轉子的機械不平衡、電刷與換向器 (或滑環(huán) )之間的摩擦等原因產生的噪聲；空氣動力噪聲主要是指在冷卻氣體的風路中，當有渦流或壓 力的突然變化時，氣體將引起擾動而產生的噪聲。 電機噪聲的測定是一個復雜、細致且技術性很強的工作。測試結果準確與否，不僅受到測試方法、測試環(huán)境、測試儀器等諸因素的影響，還與電機的運行狀態(tài)有關。 電機實際負載運行情況下的噪聲特性十分復雜，也給電機噪聲的測 試帶來了困難。因此，按照國家標準 GB/[30]《旋轉電機噪聲測定方法及限值》中有關規(guī)定，在電機噪聲測定時，應在空載穩(wěn)定狀態(tài)下進行。 電機噪聲的物理量度 ○ 1 聲壓與聲壓級 [31] 機械振動在介質中以 波動的形式傳播，稱為聲波。當機械振動在空氣中傳播時，使大氣壓產生一個壓力波動，氣壓波動的大小稱為聲壓。通常用聲壓來量度聲音的大小。聲壓的單位為帕 [斯卡 ](Pa 或 N／ m2)。正常人耳的聞閾限聲壓為 2 105Pa， 痛閾限聲壓約為 20Pa。更高的聲壓會導致人耳的鼓膜損傷。 為了便于量度和計算，實用上常用聲壓級來表示聲音的大小。一個聲音的聲 壓級等于該聲音聲壓相對值的常用對數的 20 倍，即 （ ） 式中， Lp 為聲壓級 (dB)； P 為聲壓 (Pa)； P0＝ 2 105(Pa)為基準聲壓。 可以看出 ，當 基準聲壓 (聞閾限聲壓 )時的聲壓級為 0dB，聲壓每變化 10 倍，重慶大學本科學生畢業(yè)設計（論文） 4 電主軸靜噪聲測試 25 01 lg10 IIL ?0w lg10 WWL ?聲壓級則變化 20dB，當聲壓變化百萬倍而達到痛閾限聲壓時，對應的聲壓級為 120dB。 ○ 2 聲強級與聲功率級 聲波在介質中傳播時具有一定的能量。聲源在單位時間內輻射出的總聲 能稱為聲功率 (W)。在單位時間內，通過垂直于聲波傳播方向單位面積的聲功率稱為聲強 (W／ m2)。由于聲強和聲功率從人耳的聞閾限到痛閾限相差萬億倍，實際上用相應相對值常用對數的 10 倍來表示，稱為聲強級和聲功率 級。 （ ） （ ） 式中， L1為聲強級 (dB)； I 為聲強 (W／ m2)； I0＝ 1012(W／ m2)為基準聲強；Lw為聲功率級 (dB)； W 為聲功率 (W)； W0＝ 1012(W)為基準聲功率。 ○ 3 頻譜 人耳可聞聲音的頻率范圍為 20Hz~20kHz。為了分析的方便，把這個聲頻范圍劃分為若干個頻率段，稱為頻程或頻帶。在噪聲測 試 中，常用的是倍頻程和 1／ 3 倍頻程。倍頻程是指頻率的上下限之比為 f2／ f1＝ 2