立式數控機床主軸熱態精度檢測-數控機床市場網（wǎng）

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立（lì）式數控機床主（zhǔ）軸熱態精度檢測

2014-1-15 來源：數控機床市場網作者：馬曉波仇健

摘要: 利用（yòng）電容式位移傳感器和電阻式溫度傳感器對立式數（shù）控機床主軸進行高精度測量，試驗獲取主軸端徑向和軸向熱位移（yí），以及（jí）主（zhǔ）軸係統（tǒng）熱敏感位置的溫升（shēng）。對於機（jī）械式主軸，主軸前後軸承和減速器因高速滾動摩擦發熱，使得主軸的發熱（rè）量很大，造成的熱變形會嚴重影響機床的加工精（jīng）度。對於結（jié）構穩定、技術成熟的數控機床，提高數控機床的熱態精（jīng）度最有效（xiào）的措（cuò）施是改進機床的主軸潤滑方式或者對主軸軸承進行強製冷卻。

關鍵詞: 主軸溫度場;主軸熱誤差;熱穩定時間;熱態精度

1 引言

數控（kòng）機床的精度通常分為幾何精度、位置精度和工作（zuò）精度。幾何精度（dù）和位置精度可概括為機床的靜態（tài）精度，靜態精度（dù）隻能在一定的程度上反映機床的加工精度。除此之外，機床的精度還主要有動態精度，是指機床在外載荷、溫升及振動等工作狀（zhuàng）態（tài）作用下的精度。而（ér）其（qí）中對動態精度影響最為嚴重的是機床生熱造成的熱態精度。

溫升是評定機（jī）床主軸的（de）一項重要性能指標，綜合（hé）反映了（le）主軸的設計、製造水平和（hé）材料質量。主軸係統的溫升，通常是指在無外加載荷和無外（wài）部熱源影響的條件下的典型區域溫度與環（huán）境溫度的差（chà）值。通常用主軸前軸承的（de）外（wài）圈作為測（cè）量係（xì）統溫升的典型區域。係統的溫升越高，零配件的熱變形越大，引起精度喪失的（de）可能性越大，係（xì）統的熱態特性就（jiù）越（yuè）差。

2 試驗條件

使用 API 主軸誤差測試分析儀，測量（liàng）範圍 0. 1－0. 8mm，測量頻率10s/s，分辨率0. 1μm，可測量的最大主軸轉速（sù）為 60000r/min。在 5 個自由度(X軸、Y 軸和 Z 軸漂移、X 軸和 Y 軸傾斜)上測量和分析主軸（zhóu）誤差的短期和長期變化，並配備 20 個帶磁性底座的熱傳感器以及計算機（jī）輔助軟（ruǎn）件，可以描述主軸的溫度及變形狀況。溫度測量（liàng）除（chú）使用主軸動（dòng）態誤（wù）差分析儀自帶的溫度傳感器外，還輔以紅外熱像儀進行溫度場測試。利用紅外熱成像原理可測量－40— +120℃範圍內的（de）溫（wēn）度變化，近焦距＜0. 3m，精度 ±2Co或讀數的（de） ±2%，采樣頻率 1Hz。

機床主軸在運轉過（guò）程中（zhōng）主軸軸（zhóu）承、電機等由（yóu）於摩擦而生熱，尤其是高速主軸，其溫升更快、更高。主軸裝配體部件在溫度升高（gāo）過程中會出現熱變形現象，不對稱熱變（biàn）形將（jiāng）導致（zhì）主軸係統精度降低，具體表現為主軸沿軸向的（de）伸長和主軸沿徑向的彎曲（qǔ）變（biàn）形。研究表明，影（yǐng）響高（gāo）速機床加工精度的（de）主要因素之一是熱誤差，在用現代機床加工零件的（de）製造誤差中，機床熱變形所引起的製造（zào）誤差可占總誤差的 50%，在精密加（jiā）工中熱誤差約占機床總誤差的 40%—70%。而主軸係統的熱變形誤差又是引起機床熱變形誤（wù）差的重要因素。因此，主軸係統的熱特性分析與設計對機床精度（dù）的保證至關重要，是高速高精度機床必須要考慮的關鍵技（jì）術之一。

3 主軸熱態精度測試

主軸溫升和熱變形實驗包括空載溫升（shēng）試（shì）驗和熱變形測試試驗。空載溫升試（shì）驗用來檢驗空運轉情況下軸承的（de）溫度（dù）與溫升，評（píng）定機床主軸係統的溫度場分布。主要目的是檢驗裝配質量（liàng），實現軸承的充分磨合（hé）和潤滑（huá）。溫（wēn）升試驗使主軸在額定電壓額定轉速和額定功（gōng）率下連續空載運行，直至主軸和部分溫度達到實際熱穩定狀態。主軸熱態誤差測試使用API 主軸誤差分析儀，型號 SPN-500，主軸轉速3000rpm，每 10s 采集一次，總采樣點 1797 個。利用FLIＲ熱成像儀，可以采集到機床主軸係統的溫度變化及分布數據，了解及掌握機床在運轉過程中主軸係統的實際工況，如熱平衡時間、主（zhǔ）軸係統（tǒng）不同時刻在（zài）各方向的變（biàn）形量等信息，對主軸係（xì）統的優化設計和動態補償提供了基礎數據支撐。

測試在生產車（chē）間（jiān）進行，室溫 28 －32℃。機床（chuáng）在冷態下（xià）開始試（shì）驗，為了得到良好的測試數據，試驗前機床超（chāo）過 12h 之內（nèi）處於空閑狀態，可保證機床測試（shì）初始條件良好，試驗時不準中途停車。該試驗機床主軸最（zuì）高轉速範圍為 5000 －6000r/min，在安裝檢棒以後，為了保（bǎo）證機床在高速運行時（shí）的絕對安全，在進行主軸箱溫升及（jí）主軸係統熱變形試驗時，采用（yòng）3000r/min 的轉速（sù）進行溫升及熱變形（xíng）試驗（yàn）。主軸熱變形測試（shì）時間從上午8:30 到中午12:30，共4 個小時。

4 機床主軸熱（rè）態精度分析

(1)主軸瞬態溫度場（chǎng）

使用 FLIＲ紅外熱像儀對測試部位進行測量時，需確定被測物體（tǐ）的發射（shè）率、反射（shè）溫度、測量距（jù）離和（hé）環境的相對（duì）濕度。由於紅外熱像儀（yí）對被（bèi）測（cè）物體表麵的反射率等較敏感，因此需在關鍵點處貼上膠布，降低表麵反射率，同時可以（yǐ）使表麵反射率具有（yǒu）一致性（xìng），提高測試精度。

除利（lì）用溫度傳感器對敏感（gǎn）位置（zhì）進行溫升測試外，輔以紅（hóng）外熱像儀對空運轉試驗進行溫（wēn）度場采集，可有效了解溫度分布狀況以（yǐ）及主要熱源的熱平衡狀（zhuàng）況。瞬態溫度場關注係統的（de）溫度隨時間變（biàn）化情況，圖 3 和圖4 分別為測試開始和結束時的主軸溫度分布（bù）情況，圖（tú）中十字（zì）點為關鍵點布置位（wèi）置。表 1 為主（zhǔ）軸上關鍵點（diǎn）位置分（fèn）布匯總，其中溫（wēn）度測點共計3 個。

整個（gè）試驗過程中主軸上主要關鍵點的溫（wēn）度隨時間變化情況見圖 5。從圖中（zhōng）曲（qǔ）線的走勢看（kàn），主軸係（xì）統在開始的一（yī）個小時的時間裏（lǐ）溫（wēn）度（dù）上升較快，接（jiē）下來的一個小時裏溫升較緩和（hé），然後趨於穩（wěn）定狀態。

由溫（wēn）升曲線可知，在主軸以 3000r/min 連續運轉 4 個小時期間，主軸軸（zhóu）端的溫升較（jiào）為一致，主軸溫升較快，最大溫升（shēng）大概 10℃左右。

圖 7 是（shì）溫度傳感器的溫（wēn）度—時（shí）間曲線，圖中最下部（bù）的曲線表示環境（jìng）溫度（dù），由圖中溫度測（cè）點 1—5 溫（wēn）度—時間變化曲線可見，溫升趨勢明顯，並且不同測（cè）點（diǎn）具有相同的變化趨勢。主（zhǔ）軸溫（wēn）升和熱（rè）變形在經過2 h 10 min 後基本（běn）達到熱穩定，與中小機床一般 4 h的平均熱平衡時間相比，被測機床更快達到熱穩定，機床（chuáng）的熱態性能優異。另外，與熱像儀（yí）測試獲得的溫升曲線比較（jiào）發現，兩種溫度測（cè）量方式得到的結果一致。

(2)主軸熱變形

測試時，機床主軸安裝一熱敏感較低的檢棒，熱（rè）變形測試時（shí）每隔（gé） 10s 采（cǎi）集一次數據。主軸（zhóu）熱變形試驗數據受（shòu）檢棒本身精度及檢棒和機（jī）床主軸連接後的裝配精度影響很大，檢棒與主軸（zhóu）連接後，其隨主軸旋轉的跳動(包括（kuò）徑向跳動和端跳)越小，測試（shì）結果的精度越高;反之（zhī）則（zé）會降低測試精（jīng）度。

主軸熱變形測（cè）試使用 API 主軸誤差測試和分析係統，係統自帶溫度傳感器。在整個測試過程中，主軸在 X 方向的熱變形分別為:近主軸端 0. 0036mm，遠（yuǎn）主（zhǔ）軸端 0. 0056mm;在 Y 方（fāng）向的熱變形為:近主軸端 0. 0250mm，遠主軸端 0. 0280mm;主軸最大伸長為 0. 0564mm。

圖 6 為主軸熱變形—時間關（guān）係曲線，圖 7 為主軸熱傾角—時（shí）間曲線，表 2 為主軸（zhóu）熱變（biàn）形測試結果匯總。從圖 6 不難看出（chū），機床主（zhǔ）軸的熱變（biàn）形（xíng）量很（hěn）小（xiǎo），並且機床整（zhěng）體熱（rè）變形在（zài） X 向較小（xiǎo），在 Y 向和 Z 向相對較大，說明此種結構機床在 X 軸向（xiàng）具有相對熱對稱結構，可（kě）以較好地平衡掉加工誤（wù）差;而（ér） Y 方向和（hé） Z方向是誤（wù）差的敏（mǐn）感方向，在機（jī）床設計中應注意改善結（jié）構，優（yōu）先（xiān）考慮對稱布局，並且可通過加大熱敏感方向的通風（fēng）、冷卻來達（dá）到抑製目（mù）的。此（cǐ）外，也可在熱敏感方（fāng）向布置熱源（yuán），通過熱平衡方法達到變形的抵消。

根據試驗結果，本機床在主（zhǔ）軸以 3000r/min 運轉（zhuǎn）時，近 4 個小時的熱變形測試過程中，主軸在 X和 Y 兩個方向的熱變形並不很明顯。在 Z 軸方（fāng）向熱變形較大，且變化率較快，應給予足夠的重視。在2 小時左右主軸係統達到熱平衡。

綜（zōng）上，由於被測機床的（de）結構穩定，熱態結構合理，可保留機床的（de）設計結構，在不增加（jiā）外部補償等措施的條件下，通過改善機床主軸的潤滑（huá）方式或增加主軸軸承等主要（yào）發熱體的冷卻強度（dù），可有效地改善（shàn）機（jī）床的（de）熱（rè）態性能，從而提高（gāo）機床（chuáng）的工作（zuò）精度。

5 結語

(1)通過試驗方法獲得加工車間立式數控機床的溫度場、溫（wēn）升和熱（rè）變形狀況，被測機床超過 2 小（xiǎo）時即可達（dá）到熱（rè）平衡，與中小機床一般 4 小時的熱平（píng）衡時間相比，被測機床更快達到熱（rè）穩（wěn）定，並且熱變形量（liàng）極小，機床的熱態性能優異。

(2)機床的軸向熱伸長較徑向熱變形更大，提高軸向熱態精度是提高該（gāi）機床工作精度的主要目標。

(3)通過改善（shàn）機床（chuáng）主軸的潤滑方式或增加主軸軸承等主（zhǔ）要（yào）發（fā）熱體的冷卻強度，可有效改善機床（chuáng）的熱態性（xìng）能，從而提高機床的工作精度。

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