【導(dǎo)讀】近幾十年來(lái)，在新技術(shù)革命的推動(dòng)下，特別是伴隨著數(shù)控技術(shù)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(shù)控機(jī)床核心功能部。目前，在國(guó)內(nèi)對(duì)高速電主軸系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)的測(cè)試與評(píng)價(jià)尚無(wú)統(tǒng)一。的標(biāo)準(zhǔn)，均以行業(yè)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)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(zhuǎn)精度的測(cè)試方法。對(duì)徑向跳動(dòng)和端面跳動(dòng)的測(cè)試。據(jù)的差異，發(fā)現(xiàn)短檢驗(yàn)棒法的測(cè)試誤差低于兩指示器法。用靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀并分別測(cè)試。倍左右，同時(shí)提出了提高靜剛度的措施。明了噪聲隨著主軸轉(zhuǎn)速提高而逐漸上升的結(jié)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(shù)要求。 ○ 3 加載力的大小、方向及施力點(diǎn)的位置（要求加載力為機(jī)床設(shè)計(jì)的最大切削力或切削 分力的 2/3；力的方向和施力點(diǎn)位置符合通常加工情況） 。 ○ 4 位 移測(cè)點(diǎn)的位置及測(cè)試方向（要求在影響加工精度的主要方向與平面內(nèi)）。 ○ 5 加載力和位移測(cè)試裝置。 ○ 6 相對(duì)位移量的最大允許值。 由于靜 剛度 是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)各部件變形的綜合量，因此為了測(cè)試主軸部件的剛度需要制造專(zhuān)門(mén)的實(shí)驗(yàn)裝置，如圖 所示。其原則是盡量減少過(guò)渡環(huán)節(jié)，且將支承件做得粗壯，減少施力點(diǎn)與支承間距離以減少?gòu)澢冃蔚挠绊憽? 每次測(cè)試前均應(yīng)使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)至穩(wěn)定狀態(tài) 后才能開(kāi)始測(cè)試數(shù)據(jù)。 按照以上的規(guī)定，在測(cè)試時(shí)作了以下內(nèi)容： ○ 1 被測(cè)電主軸用專(zhuān)用的實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行固定，處于夾緊狀態(tài)。 ○ 2 由于被測(cè)電主軸沒(méi)有和機(jī)床相連接，故沒(méi)有模擬刀具和工件。 ○ 3 按照外圓磨床精度檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（ GB/T 46851994），其 相對(duì)位移量的最大允 許值 為 1~2μ m。 ○ 4 位移測(cè)點(diǎn)的位置 在電主軸的正上方（與施力點(diǎn)的位置相對(duì)）。 ○ 5 用螺旋式千斤頂進(jìn)行 施力，用力傳感器進(jìn)行測(cè)試。 ○ 6 施力點(diǎn)的位置 在電主軸的正下方。施力過(guò)程應(yīng)緩慢進(jìn)行，在達(dá)到允許的重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電主軸靜剛度的測(cè)試 19 最大位移量后，應(yīng)立即停止加力，并在此情況下保持 1～ 2 分鐘，待測(cè)試儀器讀數(shù)穩(wěn)定后再卸載。 剛度的測(cè) 試 位置 示意 如圖 所示 。測(cè)試徑向剛度時(shí)應(yīng)盡量使加載力靠近軸端位置。實(shí)際測(cè)試位置如圖 、 所示。 圖 軸向剛度和徑向剛度測(cè) 試 位置 原理 圖 Axial and radial stiffness testing schematic diagram 圖 徑向剛度 實(shí)際 測(cè)試圖 The radial stiffness test picture 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電主軸靜剛度的測(cè)試 20 圖 軸 向剛度 實(shí)際 測(cè)試圖 The axial stiffness test picture 靜剛度的測(cè) 試 儀器介紹 DH3818 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀，力傳感器的量程為 500kg。如圖 所示。 圖 DH3818 靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀 The static strain test equipment of DH3818 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電主軸靜剛度的測(cè)試 21 靜剛度的測(cè) 試 數(shù)據(jù) ○ 1 6 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸測(cè)試數(shù)據(jù)。見(jiàn)表 。 測(cè)試的應(yīng)變值均在軸端變形量為 2μ m 時(shí)測(cè)定的。儀器的標(biāo)定為 1kg=。 表 6 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸 徑向 剛度 測(cè)試數(shù)據(jù) The radial stiffness test data to electronic spindle of 60,000 ○ 2 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸測(cè)試數(shù)據(jù)。見(jiàn)表 。 測(cè)試的應(yīng)變值均在軸端變形量為 2μ m 時(shí)測(cè)定的。儀器標(biāo)定為 1kg=。 表 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸 剛度 測(cè)試數(shù)據(jù) The stiffness test data to electronic spindle of 15,000 由于電主軸的剛度數(shù)值目前尚未有統(tǒng)一的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，因此我們以德國(guó) GMN 公司 電主軸的剛度值作為參考。如表 所示。 測(cè) 試 次數(shù) 應(yīng)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(cè) 試 次數(shù) 徑向剛度 軸向剛度 應(yīng)變量 （με /μ m） 力（ kg） 剛度值 （ N/μ m） 應(yīng)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(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電主軸靜剛度的測(cè)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(lèi)別 油氣 潤(rùn)滑 油脂 潤(rùn)滑 套筒 外徑 /mm 最大轉(zhuǎn)速 nmax/ r/min 額定轉(zhuǎn)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(duì)比表 ~ 中的數(shù)據(jù)可以看出， 15000 和 60000 轉(zhuǎn)電主軸的徑向剛度值相差 196 N/μ m左右 ；而 15000 轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)可以看出轉(zhuǎn)速低的電主軸要比轉(zhuǎn)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(guò)以上分析可以看出，主軸系統(tǒng)的剛度對(duì)加工過(guò)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(shù)采用兩點(diǎn)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(guò)選擇合理的參數(shù) （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(zhì)量 和結(jié)構(gòu)尺寸 等 。 ○ 3 提高軸承剛性 。如選用陶瓷滾動(dòng)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?yàn)槎嘁粋€(gè)層次就多一個(gè)結(jié)合面，會(huì)增加接觸變形。 (2) 適當(dāng)增加接觸面積 。如對(duì)軸承進(jìn)行合理的預(yù)緊。 重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 電主軸靜剛度的測(cè)試 23 (3) 通過(guò)一定的技術(shù)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(lái)增加 有效的接觸面積。 本章小結(jié) 本章主要討論了電主軸靜剛度的測(cè)試方法和手段。測(cè)試過(guò)程中由于受測(cè)試裝備的限制，我們對(duì) 6 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸只測(cè)試了它的徑向剛度。而對(duì) 萬(wàn)轉(zhuǎn)電主軸測(cè)試了它的徑向和軸向剛度。 從測(cè)試的 數(shù)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(shù)值隨最高轉(zhuǎn)速高低而變化 ， 一般最高轉(zhuǎn)速高的剛度 ，小于最高轉(zhuǎn)速低的剛度。這既反映 了電主軸工作的實(shí)際需要 ， 又與轉(zhuǎn)速高時(shí)預(yù)加載荷較小有關(guān)。 N/ μ m ）重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 電主軸靜噪聲測(cè)試 24 0p lg20 PPL ? 4 電主軸噪聲測(cè)試 噪聲是污染環(huán)境的三大公害之一，電機(jī)噪聲又是環(huán)境 噪聲的主要來(lái)源之一。目前，電機(jī)的噪聲不只是作為環(huán)境污染的噪聲源指標(biāo)，也是電機(jī)設(shè)計(jì)、工藝和裝配水平的綜合反映。在電機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)條件中作為性能指標(biāo)之一，電機(jī)的噪聲已成為一項(xiàng)對(duì)電機(jī)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有很大影響的性能指標(biāo) [29]。 概述 按照產(chǎn)生原因的不同，電機(jī)噪聲可分為電磁噪聲、機(jī)械噪聲和空氣動(dòng)力噪聲等。電磁噪聲是指電機(jī)中由電磁原因產(chǎn)生的電磁力引起電磁振動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲；機(jī)械噪聲是指軸承的摩擦、轉(zhuǎn)子的機(jī)械不平衡、電刷與換向器 (或滑環(huán) )之間的摩擦等原因產(chǎn)生的噪聲；空氣動(dòng)力噪聲主要是指在冷卻氣體的風(fēng)路中，當(dāng)有渦流或壓 力的突然變化時(shí)，氣體將引起擾動(dòng)而產(chǎn)生的噪聲。 電機(jī)噪聲的測(cè)定是一個(gè)復(fù)雜、細(xì)致且技術(shù)性很強(qiáng)的工作。測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確與否，不僅受到測(cè)試方法、測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器等諸因素的影響，還與電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)有關(guān)。 電機(jī)實(shí)際負(fù)載運(yùn)行情況下的噪聲特性十分復(fù)雜，也給電機(jī)噪聲的測(cè) 試帶來(lái)了困難。因此，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) GB/[30]《旋轉(zhuǎn)電機(jī)噪聲測(cè)定方法及限值》中有關(guān)規(guī)定，在電機(jī)噪聲測(cè)定時(shí)，應(yīng)在空載穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行。 電機(jī)噪聲的物理量度 ○ 1 聲壓與聲壓級(jí) [31] 機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中以 波動(dòng)的形式傳播，稱(chēng)為聲波。當(dāng)機(jī)械振動(dòng)在空氣中傳播時(shí)，使大氣壓產(chǎn)生一個(gè)壓力波動(dòng)，氣壓波動(dòng)的大小稱(chēng)為聲壓。通常用聲壓來(lái)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(huì)導(dǎo)致人耳的鼓膜損傷。 為了便于量度和計(jì)算，實(shí)用上常用聲壓級(jí)來(lái)表示聲音的大小。一個(gè)聲音的聲 壓級(jí)等于該聲音聲壓相對(duì)值的常用對(duì)數(shù)的 20 倍，即 （ ） 式中， Lp 為聲壓級(jí) (dB)； P 為聲壓 (Pa)； P0＝ 2 105(Pa)為基準(zhǔn)聲壓。 可以看出 ，當(dāng) 基準(zhǔn)聲壓 (聞閾限聲壓 )時(shí)的聲壓級(jí)為 0dB，聲壓每變化 10 倍，重慶大學(xué)本科學(xué)生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 電主軸靜噪聲測(cè)試 25 01 lg10 IIL ?0w lg10 WWL ?聲壓級(jí)則變化 20dB，當(dāng)聲壓變化百萬(wàn)倍而達(dá)到痛閾限聲壓時(shí)，對(duì)應(yīng)的聲壓級(jí)為 120dB。 ○ 2 聲強(qiáng)級(jí)與聲功率級(jí) 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)具有一定的能量。聲源在單位時(shí)間內(nèi)輻射出的總聲 能稱(chēng)為聲功率 (W)。在單位時(shí)間內(nèi)，通過(guò)垂直于聲波傳播方向單位面積的聲功率稱(chēng)為聲強(qiáng) (W／ m2)。由于聲強(qiáng)和聲功率從人耳的聞閾限到痛閾限相差萬(wàn)億倍，實(shí)際上用相應(yīng)相對(duì)值常用對(duì)數(shù)的 10 倍來(lái)表示，稱(chēng)為聲強(qiáng)級(jí)和聲功率 級(jí)。 （ ） （ ） 式中， L1為聲強(qiáng)級(jí) (dB)； I 為聲強(qiáng) (W／ m2)； I0＝ 1012(W／ m2)為基準(zhǔn)聲強(qiáng)；Lw為聲功率級(jí) (dB)； W 為聲功率 (W)； W0＝ 1012(W)為基準(zhǔn)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(gè)聲頻范圍劃分為若干個(gè)頻率段，稱(chēng)為頻程或頻帶。在噪聲測(cè) 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