主轴振动测试及温升对主轴振动的影响

张祥雷， 冯伟， 陈站， 李睿

（1.厦门大学物理与机电工程学院，福建厦门361005；2陕西汉中机床有限公司，陕西汉中723003）

0 引言

主轴系统作为数控机床的心脏部件，其动静态特性直接关系到机床的加工性能［1］。主轴振动试验是在不同转速下测量主轴的振动量，包括振动位移、速度、加速度的幅值和相位、振动的时间历程、频率等。通过主轴振动试验，可以找到主轴在使用过程中可能发生的共振点，或者主轴振动量偏大的转速区域，以避免主轴在共振区或不稳定状态下工作［2］。

图1 液体静压轴承主轴的实验平台

本文在液体静压轴承的实验平台（图1）上对不同转速下主轴的振动进行测量，并测量主轴在每个指定速度保持运转间隔15 min的主轴温升和振动值，研究温升对主轴振动的影响。

图2 传感器布置图

1 主轴振动试验

本次试验使用激光位移传感器检测主轴的X方向（水平）和Y方向（竖直）振动值，如图2所示。由于实测主轴已经装配于主轴箱体中，无法直接检测主轴前后轴承的振动情况，所以试验的第三个激光位移传感器的测点布置在主轴箱的前轴承安装部位，因为该点的振动最能反映前轴承的振动。根据主轴试验平台与机床的实际转速限制，对液体静压轴承主轴的转速试验范围设定为0～1 500 r/min，主轴从初始转速每次间隔上调100 r/min，每个转速稳定10 s后增速。测试数据通过与激光位移传感器相配套的LK-Navigator2软件进行采集。振动试验总共进行了3组，将3组试验的振动振幅数据提取后建立与转速对应的曲线，如图3所示。

图3 主轴转速与振动曲线

由图3的主轴振动数据可以得出以下结论：

1）由于测试环境中含有噪声及其他振动因素，故每次测量过程的初始状态都有近1滋m的漂移。这个干扰同样存在于测试过程中，因此测试结果分析时要排除这个干扰。

2）液体静压轴承主轴的振动在转速低于500 r/min时振幅较大，随后振动趋于平稳。当转速接近1 350 r/min时，主轴振动明显变大，之后又趋于稳定。除去两个振动过大的转速区域，并排除干扰的影响，主轴振动幅值基本上在2～6滋m范围内。

3）Y方向的振动值大于X方向的振动值，可见主轴在竖直方向获得的支撑力度比水平方向少，而事实上试验的主轴恰是侧面固定于试验平台的安装架上。

4）主轴箱体的振动随着主轴转速的变化也有相应的变动，并呈逐步上升的趋势，在高速时逐步下降。而最大的振动发生在转速为1300～1450r/min时，振幅平均有3.67滋m。

2 主轴温升试验

主轴转速越高，温升越大，热变形也越大，随着运转时间的增加，整个变形也将越大。由于本次测量的主轴没有配置相应的冷却系统，油液的温度将随着主轴运转时间的增加而增加，很难达到热平衡状态，甚至在未到达热平衡状态时油液温升已经超过限制。故此，本次试验主要采取每个指定转速运转15 min，再记录相关主轴振动参数，如图4所示。

图4 温升试验过程中主轴转速与振动曲线

3 温升对主轴振动影响的分析

比较图3与图4可以看出，温升试验过程中主轴的振动相比振动测试振幅总体上减小了1～2滋m，是温升导致主轴部件发生热膨胀，提高了接触刚度，即主轴的刚性随着温度的升高会增加。主轴发生大振动的转速区域也发生了变化，低速区大振动区域由原来的0～500 r/min缩小为0～300 r/min，高速区大振动区域由原来1 300～1 450 r/min变为1 250～1 400 r/min，即比原先提早发生并结束振动过大现象。

4 结语

本文针对液体静压轴承的主轴进行了振动试验和温升试验，分别研究了主轴在不同转速下的振动情况和温升对振动的影响，发现随着温度的变化，主轴的整体刚性得到加强，低速区的大振动区域变小，高速区的大振动区域从原来的1 300～1 450 r/min变为1 250～1 400 r/min，即提前发生大振动。另一方面，由于实验主轴对油液没有进行冷却，主轴在试验结束时油温接近限定值，若长期使用主轴，需要对油液安装一个温度报警器。

［参考文献］

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