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數控車床主軸（zhóu）溫度場分布檢測與控製措施

2019-5-30 來源：沈陽理工大學機械工程學院作者：史安娜，曹富榮，劉斯妤

摘要：數控車床主軸的熱變形對加工（gōng）產品的質量（liàng）和精度有重要的（de）影響（xiǎng），溫度場的分布不均勻是導致熱變形的主要（yào）因素。以CAK3665經濟型數控車床主軸為研究對象，應用FLIR紅外熱成像（xiàng）儀測溫技術對車床主軸（zhóu）的溫度場展開（kāi）測量，分析造成車（chē）床主軸的溫（wēn）度（dù）場分布不均勻的熱源，測出隨著車床主軸在中（zhōng）速下連續運轉，各測點的穩定溫度以及溫升變化規律。提出改善溫度場分布不均勻的方案，為後續進行熱分析以及實現（xiàn）數控車床的（de）高速高精密加工奠定基礎。

關鍵（jiàn）詞：數控車床；溫度場；FLIR熱成像儀

引言

數控加工技術向著高可靠（kào）性、高速度以及高精度的方向快速（sù）發展，現代製造行業對數控機床的加（jiā）工速度、加工效率的要求越來越高。改善車床的熱特性（xìng），成為製造業發展中最重要的研究課題之一。數控車床產生的熱變形，是因為車床的溫度升高而造成車床部件（jiàn）會膨脹或者（zhě）變形（xíng），從而導致刀具與工件之間的相對位移產生變化。熱（rè）誤差是高精度、高速機床（chuáng）的最大誤（wù）差源，約占總誤差的70%左（zuǒ）右。主軸作為高檔數控車床的最重要零部件之一，主軸的熱變形主要是由（yóu）主軸的溫度場分布不均勻所導致的，對數控車床（chuáng）主軸的（de）溫度場進行測試，對後續進行熱變形分析，提高車床的加工精度、加工效率顯（xiǎn）得尤為重要（yào）。

以CAK3665數控車床主軸為研究（jiū）對象，對主軸（zhóu）熱穩定（dìng）後的（de）整體溫度變化以及分布數據進行測試，並提出改善由（yóu）於熱源所造成的主軸溫度場分布不均勻的方案（àn）。直接對改善車床主軸的熱特性提供了依據。

1、數（shù）控車（chē）床主軸的熱源

在正常工作（zuò）的情況之下，數控車床的主軸受（shòu）到（dào）內、外熱源的作用，這些熱源都不（bú）是（shì）恒定（dìng）的（de），內部熱源（yuán）與外（wài）部熱源的分類如圖（tú）1所示。由於主軸上各零件的機構、材料、形狀都不盡相同，受熱性能也不相同；在結合麵處的每個連接件之間有（yǒu）不（bú）相（xiàng）同的表麵傳熱情況以及一定的熱阻等因素，使（shǐ）得（dé）數控車床主軸表麵產生了一個（gè）多變、複雜的溫（wēn）度場。在形成的溫度場作用的影響之下，主軸上每個零部件材料所（suǒ）生成的熱應力與熱位移隨著零部件的形狀、支承的方式以及材料本身的物理（lǐ）屬性的（de）不同而不同，這樣，主軸（zhóu）的（de）熱變形問題將變得更為（wéi）複雜。

對主軸部件（jiàn）的加工精度起著最重要影響作用的因素不（bú）是（shì）溫升，而是（shì）主（zhǔ）軸上溫度場的分布，其實是指溫度的梯度與溫度場相對於主軸的對稱性分布。雖然主軸部件的溫升比較高，但是，其（qí）溫度場的分布比較均勻，主軸係統每個點上的溫差比較小，主軸上溫度（dù）的（de）梯度也很小，這樣，由溫升引起的誤（wù）差（chà）很小。但是，即使主軸係統的（de）溫升很小，而主軸上每個點的溫度（dù）場（chǎng）分布不對稱或者是各個點的溫（wēn）差比較大，這樣，所導致的加工誤差也會很大。

圖1 內外熱源（yuán）分類示意圖

2 、FLIR紅外熱成像（xiàng）儀測（cè）溫

紅外測溫為（wéi）非接觸式測量，不改變被測量介質的溫（wēn）度場（chǎng），並且可以對移動（dòng）物件的動態溫度進行測量。紅外測溫的缺點為，在1000℃以下進行測量時，溫度誤差較大。但是，對於運行中的機床進行測量，尤其是指對旋轉（zhuǎn）部（bù）件的溫度檢測，這（zhè）種非（fēi）接觸式的測溫方式（shì）是最為合（hé）適的。

利用熱成像儀來檢測物體輻射單元（yuán）的（de）輻射能（néng）量。利用斯蒂芬.玻爾茲曼定律來求輻射單元的表麵溫度，被測物體表（biǎo）麵的輻射能量被紅外（wài）線熱像儀（yí）轉化成（chéng）為視頻可見的圖像，通過光掃描機構，紅外探測器進行（háng）探測輻射單元的輻射（shè）能量，並（bìng）且將輻射（shè）單元的輻射能量轉化成為電子視頻信號（hào），再經過信號的處理，能夠顯示出可見的圖（tú）像。熱像圖用來表示被測（cè）量表麵的二維輻射能量場以及所對應的（de）物體表麵的溫度分布場。

在測量之前確（què）定的參數有：被測量物體表麵的發射率ε，被測量物體和（hé）熱成（chéng）像（xiàng）儀檢測（cè）元件之（zhī）間的距離Dobj，被（bèi）測量物體周圍的溫度或者環境（jìng）反射（shè）溫度Trefl，及其大氣溫度Tatm。

斯蒂芬.玻爾茲曼定律：

3、實驗檢測

以沈陽機床集團CAK3665經濟型數控車床主軸為研究對象，進行測試該機床主軸的（de）溫度場分布以（yǐ）及溫升變化規律。CAK3665數控車（chē）床的整（zhěng）體結構示意圖如圖2所示。

圖2 CAK3665數控車床整體圖形（xíng）

機床在冷態下開始試驗，環境溫度為22℃，相（xiàng）對濕度為50%，由於主軸（zhóu）采用（yòng）鑄鐵材料，其傳播（bō）率為1.00，反射率為0.637，熱成像（xiàng）儀與發（fā）熱點的距離為2，滿足在試（shì）驗前12小時之內沒有工作，試驗時不準機床（chuáng）中途停車。

利用FLIR熱成像儀（yí）作為本試驗主要的儀（yí）器設備，在數控車床主軸前後軸（zhóu）承以及其他主要熱源處布置測點，實驗時直接對各測點進行測量即可（kě），該機床主軸的（de）最高轉速為4000r/min，應采用2000r/min的（de）轉速（sù）對數控車床主軸的溫度場進行測試，可保證機床在高速運行時絕對安全（quán），並（bìng）通過軟件的處理轉換為實際的溫度值。在（zài）主軸運轉（zhuǎn）時，運用熱成像儀對主軸進行定期拍（pāi）照，記錄每一時刻的主軸溫升熱場（chǎng），測得每一時刻各測點的溫度值，溫度測試係統的連接圖如（rú）圖3所示，其中（zhōng），1為紅外熱像（xiàng）儀，2為火線，3為運行數據釆集及處理軟件的PC機，4為電源模塊。測試現場的圖片（piàn）如圖（tú）4所示。

圖3 溫度測試係統連接示意（yì）圖

圖4 測試現場（chǎng）照（zhào）片

主軸總共運行540min，當主軸連續轉動270min時達到熱穩定狀態，在該狀態下主軸的溫度場分布如圖5所示。以最終主軸前後軸承處的最高溫升作為（wéi）考核的指標，車床主軸（zhóu）在中速下連續運行270min，主軸軸承溫升測量結果如表1所示（shì）。主軸在轉動過程中各個（gè）測量點的溫（wēn）度時間變化曲線如圖（tú）6所示。

圖5 熱成像儀測量（liàng）的溫度分布

圖6 溫度變化曲線

4、實驗結果分析

通過以上實驗，得出了數控車床主軸溫度分布圖，以及溫度隨（suí）時間的變（biàn）化規律，由圖5可知（zhī），由於熱源的作用，使得整個溫度（dù）場的分布不均勻，在前後軸承及法蘭盤所在（zài）位置處的溫度比其他地方高，主軸後軸承處的溫度比前軸（zhóu）承處的高，主軸後軸承法蘭盤處的溫度也比前（qián）軸承法蘭盤處的高，主軸頭部將有翹（qiào）曲的（de）趨勢，嚴（yán）重（chóng）影響機床加工精（jīng）度。由圖6知，從冷態下開始試驗，車床主軸總共運行540min，在前270min運行的過程中，隨著車床主軸的運轉，各測點的（de）溫度逐漸升高，當車床主軸連續轉動270min時達到溫升穩定（dìng），各測點的溫度值將不再隨著（zhe）主軸的運轉而增加，後270min停車冷卻，各測（cè）點的溫度逐（zhú）漸降低。由表1可知，當車床主軸連續轉動270min時，各測點的溫（wēn）度值將趨（qū）於穩定，此（cǐ）時，SP4（後軸承法蘭盤）處（chù）的溫度值為32.281，SP5(後軸承)處的值是31.582，SP8（前軸承法蘭盤）處的溫（wēn）度值（zhí）為30.744，SP7（前軸承）處的溫度值是31.863，由此得出前軸承法蘭盤處的最（zuì）高溫升為7.8，後軸承法蘭盤處的最（zuì）高溫升為9.3。

5、改善（shàn）溫度場分布不均（jun1）勻的措施

主（zhǔ）軸的熱變（biàn）形主要是由主軸的溫度場分布不均勻而導致（zhì）的，而溫度場的分（fèn）布不均勻是由主（zhǔ）軸的冷源與熱源的綜（zōng）合（hé）作用所引起的。綜合以上實驗測試的結果，提出以下措施：

1）選（xuǎn）擇合適的軸（zhóu）承支（zhī）撐係統。使得主軸兩端（duān）的（de）軸承熱變形基本一致，避免主軸發生翹曲。

2）改善冷卻與散熱條件。用（yòng）循環水（shuǐ）、循環冷空氣等方法對主要的發（fā）熱體進行冷卻，以便帶走主軸上的熱量（liàng），從而減小主（zhǔ）軸的熱變（biàn）形量。

3）均衡溫度。在（zài）主軸結構中，通過對主軸各部位的（de）溫度快速均衡，使得溫度較高（gāo）位（wèi）置的（de）熱量快速的傳到溫度較低的位置，以便達到（dào）熱量與變形的平衡。

4）改善主軸結構（gòu）。將主軸設計對稱結構，以（yǐ）便在（zài）溫（wēn）升較大時，主軸各個部位（wèi）所發生的變形平衡（héng），減小加工誤差。

表1 主軸軸承在中速下不同時間內的溫升測量結果

設（shè）計到仿真優化過程。通（tōng）過（guò）數字化工廠仿（fǎng）真平台，可直觀地觀察機器（qì）人在工作過程中運動狀況，對（duì）機器人及設備的運動軌（guǐ）跡進行建模仿真，並對整體生產線進行節拍優化，很好地指導生產實際，極大提（tí）升工程設計人員的設計效率，減輕（qīng）設計人員的工作強度，縮短工藝規劃時間，優化生產布局，避免機器（qì）人與（yǔ）設備間的幹涉（shè）情況，減少不必要的浪費。

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