高速主轴热态特性研究进展综述

键词；高速电主轴；热态特性；热变形；多物理场耦合；热误差预测；冷却优化

引言

在全球制造业加速向智能化、精密化转型的背景下，高速加工技术已成为提升高端装备制造竞争力的核心手段。高速电主轴作为数控机床实现高速精密加工的核心功能部件，通过将电动机转子与主轴直接集成，消除了传统机械传动链的间隙与振动问题，使机床主轴转速突破至 10,000r/min 以上，显著提升了复杂曲面加工效率与精度。

本综述以高速电主轴热态特性为研究主线，系统梳理近三十年国内外相关研究成果。通过在 CNKI、万方、维普等中文数据库及 Web of Science外文数据库，以 " 高速电主轴 "" 热态特性 "" 热变形 "" 有限元分析 "" 热误差预测 "" 冷却策略 " 等为核心关键词进行跨库检索，共获取有效文献48 篇，经筛选后聚焦于 16 篇核心文献（7 篇学位论文、8 篇期刊论文、1篇会议论文）。本文将从热态特性基础理论、多物理场耦合分析方法、实验验证技术、智能预测模型、特殊工况应用等维度展开论述，旨在为后续研究提供清晰的技术路线图与创新方向。

一、高速电主轴热态特性的基础理论建构与热源分析

高速电主轴的热源体系可分为主导热源与辅助热源两类。主导热源包括： ① 轴承摩擦热源，由滚动体与滚道的接触摩擦、保持架与滚动体的碰撞摩擦以及润滑剂剪切损耗共同构成。Harris 接触理论表明，轴承生热率与转速的 1.5 次方、预紧力的平方呈正相关，当转速超过临界值（通常5,000r/min ）时，润滑脂的黏温效应导致黏度下降，摩擦功耗激增。于兆勤等（1995）通过高速主轴温升实验发现，轴承部位温升速率较电机部位快 30% ，是初期热积累的主要区域。 ② 电机损耗热源，包括定子铜损（占比 40%-50% ）、转子铁损（ 20%-30% ）及定转子间隙空气摩擦损耗（ 15%. -20% ）。

二、多物理场耦合分析技术的发展与应用

随着 ANSYS、ABAQUS 等商用软件的普及，热 - 固耦合有限元分析成为主流研究工具。董显毅（2020）以 6,000r/min 高速主轴为对象，在 Workbench 中建立包含 82,000 个单元的三维模型，加载轴承生热率（200W）、电机损耗（500W）及对流边界条件，模拟得出热平衡时主轴前端轴向位移 52μm ，与实验值（ 50μm ）误差小于 4% 。研究发现，主轴热变形呈现 “前伸后缩” 特征，前端轴承温升是轴向变形的主要诱因（贡献度 70% ）。

三、热态特性实验研究的技术创新与数据挖掘

精准的温度与位移测量是热态特性研究的基础。朱波（2023）搭建了包含 16 个热电偶（布置于轴承座、定子、主轴端面）与 3 个电容式位移传感器（监测 X/Y/Z 向热位移）的实验台，采用 NI 数据采集系统以 10Hz频率实时记录数据。实验发现，主轴热平衡过程可分为快速升温（0-600s，温升速率 0.1℃ /s）、非线性过渡（600-3,000s）、稳态平衡（3,000s 后）三个阶段，为热误差补偿时机选择提供了依据。

四、智能预测模型的演进与工程应用

早期研究采用多元线性回归（MLR）、支持向量机（SVM）等模型。何天经等（2012）以转速、预紧力、环境温度为输入，建立 MLR 热误差模型，在恒速工况下预测误差 ⩽5μm ，但变转速时精度下降至 15μm SVM 模型通过核函数处理非线性问题，孙兴伟等（2011）采用 RBF 核函数构建 SVM 模型，预测精度较 MLR 提升 30% ，但存在参数调试复杂、泛化能力弱的问题。

五、特殊应用场景下的热态特性研究突破

在齿轮干切加工中，雷涛（2017）发现无切削液导致轴承温升速率较湿式加工快 50% ，且滚切力引发的振动会加剧热变形波动。通过建立 "切削力 - 热载荷 - 振动 " 耦合模型，揭示了主轴转速（n）与轴向热变形（δ）的非线性关系： δ=0.02n+0.001n² （ n⩾4,000r/min ）。实验表明，采用前馈补偿控制可将加工精度从 IT9 级提升至 IT7 级，突破了干切加工的精度瓶颈。

六、总结

（一）研究成果总结与技术脉络

经过三十年发展，高速电主轴热态特性研究已形成 " 理论建模 - 仿真分析 - 实验验证 - 优化应用 " 的完整技术链条：

理论层面：从单一热源分析发展到多物理场耦合建模，揭示了轴承预紧力、表面粗糙度、润滑状态等参数对热特性的影响规律；

方法层面：有限元技术从静态热分析升级到流 - 热 - 固耦合动态仿

真，智能算法从传统回归模型发展到深度神经网络与优化算法融合；

应用层面：冷却技术从依赖液冷向空冷、气冷等绿色散热方式拓展，热误差控制从被动补偿转向基于预测模型的主动控制。

（二）现存问题与研究缺口

尽管成果丰硕，仍存在三大技术挑战：

多目标优化难题：散热效率提升往往伴随功耗增加（如冷却泵功率↑ 20% ）、结构复杂化（如流道数量↑ 30% ），如何在散热性能、能耗、可靠性间取得平衡，缺乏系统性优化方法；

智能模型泛化性：现有算法依赖特定型号电主轴的实验数据，当轴承类型（角接触球轴承→圆锥滚子轴承）、冷却方式（水冷→油冷）改变时，模型预测精度下降 50% 以上，跨场景迁移能力亟待提升；

极端工况应用：在高温环境（如航空航天加工，环境温度 ⩾50% ）、超高速（ n⩾20,000r/min ）场景下，空气轴承气膜热膨胀、电机转子离心力 - 热应力耦合效应等新问题凸显，现有理论模型适用性不足。

（三）未来研究方向与创新路径

针对上述挑战，建议从以下方向展开深入研究：

动态热特性建模：引入时变热载荷理论，构建基于状态空间的热 - 动耦合模型，结合实时传感器数据（如温度、振动、载荷），开发自适应预测算法，实现变工况下的热变形精准预报；

多学科协同优化：基于田口方法、NSGA-II 算法，建立包含散热性能、能耗、结构刚度的多目标优化模型，探索冷却结构参数（流道直径、翅片间距）与材料属性（碳纤维复合材料应用）的协同优化机制；

迁移学习技术应用：利用预训练神经网络（如 ResNet）提取不同电主轴的共性热特征，结合小样本微调技术，构建跨型号通用热误差预测模型，降低新机型的建模成本；

（四）工程应用启示

在工程实践中，建议采用 " 仿真先行 - 实验验证 - 智能补偿" 的技术路线：

设计阶段：利用多场耦合仿真工具进行热 - 结构优化，重点关注轴承配合间隙（推荐预留 0.01-0.03mm 热膨胀补偿量）、冷却流道布局（建议采用螺旋式逆流设计）；

调试阶段：通过温度敏感点筛选实验确定关键测点，建立基于智能算法的热误差实时补偿系统（推荐响应时间 ⩽200ms ）；

加工阶段：采用 " 预热 - 恒速加工 - 间歇冷却" 工艺策略，例如精密磨削前进行 30 分钟预热（使主轴热变形稳定在 ±5μm 以内），加工中每小时进行 5 分钟空冷循环。

参考文献：

[4] 董显毅。高速电主轴热态特性分析与优化 [D]. 大连理工大学，2020.

[7] 雷涛。高速干切滚刀主轴系统动热态特性分析与试验研究 [D]. 重庆大学，2017.

[9] 郭小兰。高速电主轴热态特性研究综述 [J]. 考试周刊，2013 (87):165-166.

[11] 何天经，芮执元，刘军。高速加工中心电主轴热态特性研究 [J].机械制造，2012, 50 (05): 19-21.

[12] 孙兴伟，王聪，王可，等。高速电主轴热态特性的研究 [J]. 制造业自动化，2011, 33 (21): 111-113.

[13] 邵宽平。高速电主轴单元的热态特性研究 [D]. 兰州理工大学，2011.

[16] 于兆勤，方富堃，肖曙红，等。高速电主轴热态特性的研究 [J].广东工学院学报，1995 (S1): .

基金项目：2023 年市级大学生创新创业训练计划项目：“智能主轴设计与开发”项目编号：202310066104