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第1章緒論

1.1機床主軸在裝備制造業中的地位

高速切削加工(highspeedmachining)的概念由德國切削物理學家Salmon在1931年提出。他在金屬材料切削實驗中發現，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出單調上升的趨勢，反而隨著切削速度的升高而減小，從而越過切削過程產生的高溫死區(deadvalley)，使能在超高速區域進行高速切削。

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，加工質量將得到顯著提高，由此可達到高效率、高精度的結合。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、高速機車等行業已得到廣泛應用。目前，航空航天業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，而現有飛機整體結構件和航空發動機主要構件則全部采用高效切削加工技術［1，2］。

未來的裝備制造行業正朝著高速、高精度方向發展，迫切需要精準的數字裝備予以支撐，而機床主軸系統是現代品質數控機床的關鍵部件，數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的發展。不同于傳統的加工主軸，電主軸將變頻電機的空心轉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，從而將機床主軸與電機的功能從結構上融為一體，把機床主傳動鏈的長度縮短為零，實現了變頻電機和機床主軸之間的"零傳動"［5］，避免了傳動鏈導入的振動和誤差，提高了回轉精度。此外，電主軸啟停快，能實現較高角加速度，采用矢量控制調速技術，調速范圍寬，輸出功率大。圖1-1為典型電主軸結構示意圖。

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薄弱，缺乏核心技術，在重大專項中規劃的機床較高轉速、加工精度等技術指標與國外還有較大的差距，大型高速精密數控機床多數需要進口。因此，《國家中長期科學和技術發展規劃綱要(2006—2020年)》已將高性能機床及基礎裝備列為16項重大專項之一。作為機床關鍵組件之一，國產電主軸的各項指標與國外產品相比都有較大差異，而且國產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展的國內市場的需要；再加上長期以來對研究的投入嚴重不足和品質產品對進口的依賴，使得國內擁有自主知識產權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，研究和發展高速電主軸技術，對國產高性能機床和國內制造業的發展具有重要意義。

圖1-1典型電主軸結構示意圖

1.2機床主軸高精度平衡面臨的挑戰

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

目前機械轉子的工作轉速通常在10000r/min以下，徑向振動量通常在10μm數量級，而高速主軸的旋轉速度在30000r/min以上，徑向振動量要求控制在1μm數量級。而高速下主軸的微小不平衡將可能導致回轉精度的嚴重喪失，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子更加嚴格，另外，主軸系統還要受到換刀、切削力激勵以及主軸系統受熱變形和高速旋轉離心力等復雜工況干擾，高速機床主軸系統的穩定性控制受到空前挑戰。為減小主軸的不平衡，在設計之初應盡量避免不對稱結構，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量的目的。然而，在機床主軸技術的飛速發展的同時，也給現有的動平衡方法帶來了新的挑戰［6］。

1)支承形式的復雜化

傳統主軸以滾動軸承支承，滾動軸承在高速運行中存在摩擦發熱嚴重、回轉誤差較大、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優勢而越來越多地應用于高速主軸，但支承形式的多樣化也會給失衡故障的確診和失衡響應的提取帶來困難。此外，主軸系統通常表現出各向異性，一方面受軸承技術和工況影響，軸承的剛度和阻尼為各向異性；另一方面受加工工藝限制，主軸轉子本身在圓周方向上的主慣矩不等，導致結構上的各向異性等。顯然，對于這類支承剛度具有一定各向異性的轉子而言，轉子測量截面的單方向振動并不能地描述轉子振動狀態［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提取技術。與此同時，探尋新的適應各向異性轉子的失衡表征量，提出滿足各向異性轉子平衡需求的動平衡方法也是焦點所在。

2)主軸轉子的柔性化

傳統的加工中心主軸由于要承受大的切削力，往往采用高剛性設計以保障加工精度。由于超高速加工有常規加工所不具有的優勢，高速切削技術已成為裝備制造業發展的主流。然而，主軸工作轉速的升高將會導致主軸軸徑減小，這主要由兩方面因素導致：一方面，主軸工作轉速升高帶來的是主軸離心力的指數增長和摩擦發熱的迅速增加，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，摩擦發熱也越嚴重，因此，在高速主軸中要想取得更高的轉速，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熱；另一方面，主軸的dmn值(主軸軸承中徑dm與轉速n的乘積)越高意味著同樣軸徑的主軸所能達到的轉速也越高，dmn成為衡量主軸技術水平重要標準。但是，dmn值越大，離心力和摩擦發熱越嚴重，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，要提高主軸轉速，只有減小軸徑。顯然，軸徑的減小意味著轉子剛度下降，這必然導致主軸轉子在高轉速下向柔性化發展，而Salmon認為，當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生的高溫死區，使在超高速區域進行高速切削。這表明低剛度的主軸應用于高速切削加工的是可能的。雖然由于諸多技術難題的存在，柔性主軸的實用化還有很長一段路要走，但國內外學者已經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，原有的基于集中質量式假設的力學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

現代化的高速數控加工中心具有主軸轉速高、運行精度高和加工效率高的特點。機床主軸轉速和精度的提高，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，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。另外主軸高速旋轉時還會帶來離心膨脹作用，如主軸組件中拉刀機構的離心變形等，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，則意味著自動化環節的中斷，破壞了高效加工的原則，在現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，對主軸在高速運轉情況下的平衡狀態進行實時監測，并通過在線動平衡控制來減小由此產生的振動，以提高主軸平衡效率，保障主軸的運行精度，保障機床的長期穩定和高效運行。

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

1.3機床主軸動平衡現狀及發展趨勢

1.3.1動平衡識別方法[2]

1.傳統動平衡識別方法回顧

機床主軸是典型的高速軸承-轉子動力學系統，對于旋轉設備而言，不平衡是導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，轉子動平衡技術在幾十年歷程中得到長足發展［8，9］。總體來說，經典的轉子動平衡方法可基本歸納為兩類：模態平衡法和影響系數法。

模態平衡法(modalbalancingmethod)利用了轉子不平衡響應的模態特性，將不平衡量按各階模態分解并予以平衡校正，從而抑制由振型失衡導致的振動。該方法基于兩個重要假設：①轉子系統阻尼足夠小，以至于可以忽略；②各階模態是平面、正交的。柔性轉子的模態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。

影響系數法(influencecoefficientbalancingmethod)與模態平衡法不同，它是一種實驗方法，通過多次加試重運轉，利用各測點的振動值求得影響系數，并基于該系數識別平衡校正量，平衡后可使選定的平衡轉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子。1964年，Goodman［15］對影響系數法進行了的論述，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最小二乘解，形成了實用的多平面、多轉速的影響系數平衡法。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實驗驗證。

綜合來說，上述兩種方法各有利弊，利用模態平衡法進行高速平衡時，所需啟動次數相對較少，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動力學知識，了解轉子模態特性。采用影響系數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勢，且不受支承特性的影響，易于利用計算機幅值實現，但高速下平衡時啟動次數多，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，即在影響系數法的基礎上利用模態平衡法中的振型分離的特點選擇平衡參數。該方法結合了二者的優點，但依然需要多次試車，若試重加載不當，反而會造成轉子振動加劇，使動平衡操作復雜化。

2.動平衡識別方法研究進展與趨勢

早期的學者專注于轉子動平衡理論的研究，至20世紀80年代前后相關動平衡理論已經基本成熟。就轉子動平衡基本理論本身來說，目前已經建立起以模態平衡法和影響系數法為基礎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上基本仍分屬于這兩類平衡方法。這兩類方法各有優缺點，在現場的應用中也都遇到一些問題，國內外學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

大多數傳統平衡方法基于各向同性假設，但是轉子-軸承系統經過一段時間運行后，其軸承的剛度與阻尼一般都為各向異性［23］，轉子測量截面的單方向振動并不能地描述轉子振動狀態［7］。1965年Parkinson［24］研究了在各向異性軸承支承條件下的轉子模態動平衡方法，但該方法在發生多階模態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，對轉子進行高精度動平衡時必須考慮轉子進動的軸心軌跡。基于這一思路，工業現場開始采用雙傳感器垂直安裝的方式來實現對每個轉子測量截面振動信息的監測。1996年K