重庆大学机械制造基础实验资料

目录

●课题研究的背景及意义 (3)

●课题研究现状分析 (3)

●课题研究方案介绍 (4)

●实验结果 (15)

●数据处理 (14)

●实验总结 (16)

课题的研究背景及意义

背景：

高速切削加工作为模具制造中最为重要的一项先进制造技术，是集高效、优质、低耗于一身的先进制造技术。在常规切削加工中备受困扰的一系列问题，通过高速切削加工的应用得到了解决。近年来，由于变频控制的广泛应用，使得以高速电主轴为主导的高速切削技术迅速成为科学研究的焦点，从而进一步推动了高速加工技术的发展。

高速加工保证了加工精度，同时又提高了加工速度，因此，许多高级的制造业对此都很急需。目前，高速加工已具备广阔的发展前景，以及一定的发展条件。比如，航空航天业以及模具加工制造业就是高速加工的两个重要应用领域。航空制造业虽然在20年前就进行铝件的高速加工，但一直未得到重视，随着科技的发展，产品的多样化小批量切削加工大量增加，保证高效率切削加工的同时达到高精度是高速加工的重要发展倾向。世界各大机床制造国如美国、德国、日本等对此进行了大量研究，并不断的推出高技术的高精度高速加工机床。近年来，国内高速电主轴研究已有较快发展，但与国外发达国家相比，还存在较大差距，因此，进一步研究高性能的主轴产品具有重大意义，本课题便是在此背景下进行的。

意义：

随着高速加工的迅速发展，对数控机床电主轴的要求也越来越高，从电主轴的结构特点分析，电动机的定子直接安装电主轴内，这对电动机的散热极其不利，热量积聚所引起的主轴热变形将严重降低机床的加工精度，所以，温升是衡量主轴高速性能的一个重要指标，过高的温度会影响主轴的旋转精度。严重时会使轴承烧伤，所以主轴的热性能是制约其提高转速的重要因素之一。

课题研究现状分析

国际上Bernd Manns和Jay.f.tu建立了一个高速电主轴的热模型，此模型从功率分配角度来研究主轴的热源和散热，从而对主轴的传热机制进行理论计算和实际测验。Chi-Wei.Lin等研究了在高速运转状态下主轴轴承所产生的离心力和陀螺力矩对轴承温升的影响，并因此建立高速电主轴轴承的热-机-动力学模型，定量描述了热变形引起的轴承预紧力对轴承整体刚度和整个主轴动态性能的影响。以及高速旋转离心力和陀螺力矩的影响和主轴单元动态性能对切削区的影响。Creighton等描述了一种可以因热导致的加工误差的主轴的热位移补偿方法，该方法本质上是简单的，且容易应用在使用较少投资的工业环境里。

国内的相关研究也有一定进展，蒋兴奇等考虑轴承载荷和变形的非线性特性以及热摩擦影响下，建立了主轴热变形和固有频率的计算模型。何晓亮等将高速电主轴的轴承、轴承座和主轴作为一个整体，运用节点网络法建立

了轴承、主轴、轴承座的温度计算模型。肖曙红等从理论上分析高速角接触球轴承的受力，计算滚珠与滚道的接触负荷，在此基础上，计算了轴承的摩擦发热，编写了高速角接触球轴承的计算机程序。

综上所述，要全面的描述高速电主轴的温升性能，需研究电主轴的实际运行状态。

课题研究方案介绍

电主轴简介概述：

电主轴是高速数控加工机床的“心脏部件”。由于高速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且还可以显著提高工件的加工质量，所以其应用领域非常广泛，特别是在航空航天、汽车和模具等制造业中。于是，具有高速加工能力的数控机床已成为市场新宠。

目前，国内外各著名机床制造商在高速数控机床中广泛采用电主轴结构，特别是在复合加工机床、多轴联动、多面体加工机床和并联机床中

工作原理：

电主轴就是直接将空心的电动机转子装在主轴上，定子通过冷却套固定在主轴箱体孔内，形成一个完整的主轴单元，通电后转子直接带动主轴运转。实验装备：高速电主轴，ua306j数据采集器，电涡流传感器，热电偶，温度传感器及送变器，空气压缩机，油箱，信号采集系统，油雾发生装置，油水分离器等。

高速电主轴简图

热电偶探测位置

此即为本次试验的测试主体，电流导通时主轴开始高速旋转，图片上两条传感器传递温升信息，最终结果在电脑显示屏上显示。

高速电主轴实物图正面

高速电主轴实物图后面

信号采集系统

在此信号采集系统的操作页面上通过简单操作显示温升信号，该系统从传感器等被测单元中自动采集信息。数据采集系统是结合基于计算机的测量软硬件产品来实现灵活的、用户自定义的测量系统。

ua306j数据采集器:

电涡流传感器

热电偶的工作原理是：

两种不同成份的导体，两端经焊接，形成回路，直接测量端叫工作端（热端）接线端子端叫冷端，当热端和冷端存在温差时，就会在回路里产生热电流，接上显示仪表，仪表上就会指示所产生的热电动势的对应温度值，电动势随温度升高而增长。

温度传感器（左）和电涡流传感器（右）

导轨（隔离）温度变送器

●空气压缩机

✧主要技术指标：

1、输入：热电阻Pt100

2、输出：在量程范围内输出4～20mA直流信号可与热电阻温度计的输出电阻信号成线性，可与热电阻温度计的输入温度信号成线性；

3、基本误差：±0.2%

4、传送方式：二线制

5、工作电源电压DC24V。

✧pt100热电偶技术参数：

量程：0-150度。

它是将原动的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。由以下系统组成:油循环系统、气路循环系统水路循环系统、配电系统、屏保护系统、直流电源系统、DTC控制系统。

油箱

冷却油箱

油液经过电主轴循环之后，带走电主轴旋转产生的热量将会发热，因此在油液再次进入循环之前需使其在图示冷却油箱中先冷却。图示油箱缺点是：在油液冷却过程中因为与外界接触会受污染而影响冷却效果甚至影响主轴运转效率。