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第1章緒論

1.1機床主軸在裝備制造業(yè)中的地位

高速切削加工(highspeedmachining)的概念由德國切削物理學(xué)家Salmon在1931年提出。他在金屬材料切削實驗中發(fā)現(xiàn)，盡管切削溫度會隨著切削速度的增加而急劇上升，但切削速度超過某一臨界值時，切削溫度就不再表現(xiàn)出單調(diào)上升的趨勢，反而隨著切削速度的升高而減小，從而越過切削過程產(chǎn)生的高溫死區(qū)(deadvalley)，使能在超高速區(qū)域進行高速切削。

機床主軸切削速度的提升意味著加工效率的提高，并且切削速度越高，切削激勵力越遠離機床的低階固有頻率，加工質(zhì)量將得到顯著提高，由此可達到高效率、高精度的結(jié)合。此外，高速機床可切削硬度在HRC45～65的淬硬鋼，避免了淬火變形，有利于切削難加工材料。因此，高速切削技術(shù)逐步成為切削加工的主流，其在航空航天、能源、高速機車等行業(yè)已得到廣泛應(yīng)用。目前，航空航天業(yè)加工中鈦合金的切削速度可達60～240m/min，鎳基合金的切削速度可達50～200m/min，而現(xiàn)有飛機整體結(jié)構(gòu)件和航空發(fā)動機主要構(gòu)件則全部采用高效切削加工技術(shù)［1，2］。

未來的裝備制造行業(yè)正朝著高速、高精度方向發(fā)展，迫切需要精準(zhǔn)的數(shù)字裝備予以支撐，而機床主軸系統(tǒng)是現(xiàn)代品質(zhì)數(shù)控機床的關(guān)鍵部件，數(shù)控機床的加工效果很大程度上取決于主軸性能［3，4］。機床主軸作為超高速加工的核心功能部件，其性能直接制約著超高速加工技術(shù)的發(fā)展。不同于傳統(tǒng)的加工主軸，電主軸將變頻電機的空心轉(zhuǎn)子與機床主軸過盈套裝，帶冷卻套的定子則裝配在主軸單元的殼體內(nèi)，從而將機床主軸與電機的功能從結(jié)構(gòu)上融為一體，把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現(xiàn)了變頻電機和機床主軸之間的"零傳動"［5］，避免了傳動鏈導(dǎo)入的振動和誤差，提高了回轉(zhuǎn)精度。此外，電主軸啟停快，能實現(xiàn)較高角加速度，采用矢量控制調(diào)速技術(shù)，調(diào)速范圍寬，輸出功率大。圖1-1為典型電主軸結(jié)構(gòu)示意圖。

中國是世界及時的機床消費大國，但由于我國高速加工理論研究基礎(chǔ)薄弱，缺乏核心技術(shù)，在重大專項中規(guī)劃的機床較高轉(zhuǎn)速、加工精度等技術(shù)指標(biāo)與國外還有較大的差距，大型高速精密數(shù)控機床多數(shù)需要進口。因此，《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要(2006—2020年)》已將高性能機床及基礎(chǔ)裝備列為16項重大專項之一。作為機床關(guān)鍵組件之一，國產(chǎn)電主軸的各項指標(biāo)與國外產(chǎn)品相比都有較大差異，而且國產(chǎn)電主軸在使用中還存在許多亟待解決的問題，遠遠不能滿足日益發(fā)展的國內(nèi)市場的需要；再加上長期以來對研究的投入嚴(yán)重不足和品質(zhì)產(chǎn)品對進口的依賴，使得國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的電主軸更是鳳毛麟角。目前我國大功率高速主軸單元主要依賴進口，高速電主軸幾乎占機床價格的1/3。因此，研究和發(fā)展高速電主軸技術(shù)，對國產(chǎn)高性能機床和國內(nèi)制造業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

圖1-1典型電主軸結(jié)構(gòu)示意圖

1.2機床主軸高精度平衡面臨的挑戰(zhàn)

機床主軸作為典型的旋轉(zhuǎn)機械，不平衡是常見的故障。不平衡又稱為偏心，即主軸的旋轉(zhuǎn)中心與質(zhì)量中心不重合。不平衡的存在會使主軸旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生方向不斷變化的離心力，進而激發(fā)機械振動，影響主軸運行狀態(tài)和工件的加工質(zhì)量，嚴(yán)重時引起主軸損壞甚至引發(fā)事故。對于主軸而言，不平衡的存在是必然的，在主軸的設(shè)計、制造和使用過程中，都會引起質(zhì)量分布的不均勻。主軸設(shè)計上存在的不對稱結(jié)構(gòu)，主軸材質(zhì)密度的不均勻分布，主軸加工裝配過程中存在的誤差，主軸使用過程中出現(xiàn)的磨損、脫落、粘灰、更換等因素都會導(dǎo)致主軸不平衡。

目前機械轉(zhuǎn)子的工作轉(zhuǎn)速通常在10000r/min以下，徑向振動量通常在10μm數(shù)量級，而高速主軸的旋轉(zhuǎn)速度在30000r/min以上，徑向振動量要求控制在1μm數(shù)量級。而高速下主軸的微小不平衡將可能導(dǎo)致回轉(zhuǎn)精度的嚴(yán)重喪失，乃至軸承支承的損壞。因此對高速主軸不平衡控制的要求比通常轉(zhuǎn)子更加嚴(yán)格，另外，主軸系統(tǒng)還要受到換刀、切削力激勵以及主軸系統(tǒng)受熱變形和高速旋轉(zhuǎn)離心力等復(fù)雜工況干擾，高速機床主軸系統(tǒng)的穩(wěn)定性控制受到空前挑戰(zhàn)。為減小主軸的不平衡，在設(shè)計之初應(yīng)盡量避免不對稱結(jié)構(gòu)，在加工裝配過程中盡量減小誤差。即便如此，主軸不平衡也不可能消除。在工業(yè)上一般采用動平衡的方法來減小或消除主軸的不平衡量，以達到減小振動、提高主軸運行精度和工件加工質(zhì)量的目的。然而，在機床主軸技術(shù)的飛速發(fā)展的同時，也給現(xiàn)有的動平衡方法帶來了新的挑戰(zhàn)［6］。

1)支承形式的復(fù)雜化

傳統(tǒng)主軸以滾動軸承支承，滾動軸承在高速運行中存在摩擦發(fā)熱嚴(yán)重、回轉(zhuǎn)誤差較大、潤滑冷卻困難等問題。流體動靜壓滑動軸承、氣浮軸承、磁懸浮軸承等由于其獨特的技術(shù)優(yōu)勢而越來越多地應(yīng)用于高速主軸，但支承形式的多樣化也會給失衡故障的確診和失衡響應(yīng)的提取帶來困難。此外，主軸系統(tǒng)通常表現(xiàn)出各向異性，一方面受軸承技術(shù)和工況影響，軸承的剛度和阻尼為各向異性；另一方面受加工工藝限制，主軸轉(zhuǎn)子本身在圓周方向上的主慣矩不等，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)上的各向異性等。顯然，對于這類支承剛度具有一定各向異性的轉(zhuǎn)子而言，轉(zhuǎn)子測量截面的單方向振動并不能地描述轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)［7］。因此，主軸支承方式的多樣化，尤其是支承各向異性的存在，對主軸動平衡提出了新的需求，有必要研究有效的失衡故障定性診斷方法和的失衡響應(yīng)提取技術(shù)。與此同時，探尋新的適應(yīng)各向異性轉(zhuǎn)子的失衡表征量，提出滿足各向異性轉(zhuǎn)子平衡需求的動平衡方法也是焦點所在。

2)主軸轉(zhuǎn)子的柔性化

傳統(tǒng)的加工中心主軸由于要承受大的切削力，往往采用高剛性設(shè)計以保障加工精度。由于超高速加工有常規(guī)加工所不具有的優(yōu)勢，高速切削技術(shù)已成為裝備制造業(yè)發(fā)展的主流。然而，主軸工作轉(zhuǎn)速的升高將會導(dǎo)致主軸軸徑減小，這主要由兩方面因素導(dǎo)致：一方面，主軸工作轉(zhuǎn)速升高帶來的是主軸離心力的指數(shù)增長和摩擦發(fā)熱的迅速增加，并且主軸軸徑越大，軸承及最外層材料受到的離心力就越大，同時主軸最外層的線速度也越高，摩擦發(fā)熱也越嚴(yán)重，因此，在高速主軸中要想取得更高的轉(zhuǎn)速，必須減小軸徑以減小主軸所受到的離心力和主軸的摩擦發(fā)熱；另一方面，主軸的dmn值(主軸軸承中徑dm與轉(zhuǎn)速n的乘積)越高意味著同樣軸徑的主軸所能達到的轉(zhuǎn)速也越高，dmn成為衡量主軸技術(shù)水平重要標(biāo)準(zhǔn)。但是，dmn值越大，離心力和摩擦發(fā)熱越嚴(yán)重，而材料所能承受的離心力和溫度總是有限的，即dmn不可能無限增加，因此，在dmn相同的情況下，要提高主軸轉(zhuǎn)速，只有減小軸徑。顯然，軸徑的減小意味著轉(zhuǎn)子剛度下降，這必然導(dǎo)致主軸轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下向柔性化發(fā)展，而Salmon認為，當(dāng)切削速度達到并超過某臨界值時，切削溫度和切削力不但不會增加反而會減小，從而可以越過切削過程產(chǎn)生的高溫死區(qū)，使在超高速區(qū)域進行高速切削。這表明低剛度的主軸應(yīng)用于高速切削加工的是可能的。雖然由于諸多技術(shù)難題的存在，柔性主軸的實用化還有很長一段路要走，但國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)就柔性主軸展開了大量的研究工作，高速主軸的柔性化已經(jīng)成為一種趨勢。在超高速下主軸的平衡要求更加苛刻，原有的基于集中質(zhì)量式假設(shè)的力學(xué)模型難以滿足高精度的平衡識別需求，因此，開展針對柔性主軸的分布式不平衡量識別研究也是研究重點。

3)動平衡控制的在線自動化

現(xiàn)代化的高速數(shù)控加工中心具有主軸轉(zhuǎn)速高、運行精度高和加工效率高的特點。機床主軸轉(zhuǎn)速和精度的提高，是以高精度動平衡為前提的，只有將主軸的殘余不平衡量控制在微小范圍內(nèi)，才能控制主軸在高速運行過程中由離心力引起的失衡振動，保障零件的加工精度。然而，在實際加工過程中，盡管主軸出廠時會進行高速動平衡，但主軸換刀時微小的不對中、磨損或粘刀都會破壞原有的動平衡。另外主軸高速旋轉(zhuǎn)時還會帶來離心膨脹作用，如主軸組件中拉刀機構(gòu)的離心變形等，也會破壞主軸的動平衡。顯然，若每次都采用傳統(tǒng)離線停機動平衡的方式來消除微小失衡量，則意味著自動化環(huán)節(jié)的中斷，破壞了高效加工的原則，在現(xiàn)代化加工中是無法接受的。因此，有必要研制高速主軸在線自動平衡系統(tǒng)，對主軸在高速運轉(zhuǎn)情況下的平衡狀態(tài)進行實時監(jiān)測，并通過在線動平衡控制來減小由此產(chǎn)生的振動，以提高主軸平衡效率，保障主軸的運行精度，保障機床的長期穩(wěn)定和高效運行。

綜上所述，開展機床主軸高精度動平衡技術(shù)研究，能充分發(fā)揮高速電主軸的效能，進而提高我國機床工業(yè)和機械制造業(yè)的整體水平。

1.3機床主軸動平衡現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.3.1動平衡識別方法[2]

1.傳統(tǒng)動平衡識別方法回顧

機床主軸是典型的高速軸承-轉(zhuǎn)子動力學(xué)系統(tǒng)，對于旋轉(zhuǎn)設(shè)備而言，不平衡是導(dǎo)致其振動的主要因素。針對這一問題，1919年Jeffeott論述了進行動平衡的必要性，由此，轉(zhuǎn)子動平衡技術(shù)在幾十年歷程中得到長足發(fā)展［8，9］。總體來說，經(jīng)典的轉(zhuǎn)子動平衡方法可基本歸納為兩類：模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法。

模態(tài)平衡法(modalbalancingmethod)利用了轉(zhuǎn)子不平衡響應(yīng)的模態(tài)特性，將不平衡量按各階模態(tài)分解并予以平衡校正，從而抑制由振型失衡導(dǎo)致的振動。該方法基于兩個重要假設(shè)：①轉(zhuǎn)子系統(tǒng)阻尼足夠小，以至于可以忽略；②各階模態(tài)是平面、正交的。柔性轉(zhuǎn)子的模態(tài)平衡法最早由德國的Federn于1956年提出，之后Bishop［10］、Gladwell［11］、Kellenberger［12］以及Saito［13］等從理論和實踐兩方面對該方法進行了深入、細致的研究，使之日趨成熟。

影響系數(shù)法(influencecoefficientbalancingmethod)與模態(tài)平衡法不同，它是一種實驗方法，通過多次加試重運轉(zhuǎn)，利用各測點的振動值求得影響系數(shù)，并基于該系數(shù)識別平衡校正量，平衡后可使選定的平衡轉(zhuǎn)速下各測點的振動值降至所要求的程度。該方法由Thearle［14］于1934年首次提出，最初用于平衡剛性轉(zhuǎn)子。1964年，Goodman［15］對影響系數(shù)法進行了的論述，首次給出了其通用表達式，引入了平衡方程的最小二乘解和加權(quán)最小二乘解，形成了實用的多平面、多轉(zhuǎn)速的影響系數(shù)平衡法。1967～1972年，由Lund［16］、Tonneson［17］、Tessarzik［18］以及Little［19］等對這一方法進行了完善以及相關(guān)實驗驗證。

綜合來說，上述兩種方法各有利弊，利用模態(tài)平衡法進行高速平衡時，所需啟動次數(shù)相對較少，且平衡高階振型不影響低階振型，但不平衡識別易受支承特性的影響，用于軸系平衡時不易獲得單一振型，此外，要求平衡操作人員具備相關(guān)動力學(xué)知識，了解轉(zhuǎn)子模態(tài)特性。采用影響系數(shù)法進行不平衡量識別時，可同時平衡多階振型，用于軸系平衡更具優(yōu)勢，且不受支承特性的影響，易于利用計算機幅值實現(xiàn)，但高速下平衡時啟動次數(shù)多，對高階振型敏感性降低。為此，Drechsler［20］、Parkison［21］及Darlow［22］等提出了綜合平衡的概念，即在影響系數(shù)法的基礎(chǔ)上利用模態(tài)平衡法中的振型分離的特點選擇平衡參數(shù)。該方法結(jié)合了二者的優(yōu)點，但依然需要多次試車，若試重加載不當(dāng)，反而會造成轉(zhuǎn)子振動加劇，使動平衡操作復(fù)雜化。

2.動平衡識別方法研究進展與趨勢

早期的學(xué)者專注于轉(zhuǎn)子動平衡理論的研究，至20世紀(jì)80年代前后相關(guān)動平衡理論已經(jīng)基本成熟。就轉(zhuǎn)子動平衡基本理論本身來說，目前已經(jīng)建立起以模態(tài)平衡法和影響系數(shù)法為基礎(chǔ)的兩大類平衡分析方法的完整理論體系。至今，種類繁多的平衡方法本質(zhì)上基本仍分屬于這兩類平衡方法。這兩類方法各有優(yōu)缺點，在現(xiàn)場的應(yīng)用中也都遇到一些問題，國內(nèi)外學(xué)者開始嘗試對上述平衡方法進行改進來提高平衡效率和精度。近年來相關(guān)的研究取得了大量的成果，主要有以下幾方面。

1)考慮各向異性的平衡方法

大多數(shù)傳統(tǒng)平衡方法基于各向同性假設(shè)，但是轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)經(jīng)過一段時間運行后，其軸承的剛度與阻尼一般都為各向異性［23］，轉(zhuǎn)子測量截面的單方向振動并不能地描述轉(zhuǎn)子振動狀態(tài)［7］。1965年P(guān)arkinson［24］研究了在各向異性軸承支承條件下的轉(zhuǎn)子模態(tài)動平衡方法，但該方法在發(fā)生多階模態(tài)振型混疊時誤差較大。1979年Fujisawa等［25］指出受支承剛度各向異性的影響，對轉(zhuǎn)子進行高精度動平衡時必須考慮轉(zhuǎn)子進動的軸心軌跡。基于這一思路，工業(yè)現(xiàn)場開始采用雙傳感器垂直安裝的方式來實現(xiàn)對每個轉(zhuǎn)子測量截面振動信息的監(jiān)測。1996年K