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數控車床主軸溫度場分布檢測與控製措施

2019-5-30 來源：沈（shěn）陽理工大學（xué）機械工程學院作者：史安（ān）娜，曹富榮，劉斯妤

摘（zhāi）要：數控車床主軸的熱（rè）變形對加工產品（pǐn）的質量（liàng）和精度有重要的影響，溫度（dù）場的分布不均（jun1）勻（yún）是導致熱變形的主要因素。以CAK3665經濟型數控車床主軸為（wéi）研究對象，應用FLIR紅外熱成像儀測溫技術對車床主軸的溫度場展開測量（liàng），分析造（zào）成車床主軸的溫度場分布不均勻的熱（rè）源，測出隨著車床主（zhǔ）軸在中（zhōng）速下（xià）連續運轉，各測點的穩定溫度以及溫升（shēng）變化（huà）規律。提出改善（shàn）溫度場（chǎng）分布不均勻的方（fāng）案，為後續進行熱分析以及實現數控車床的高速高（gāo）精密加工奠定基礎。

關鍵（jiàn）詞：數控車床；溫度場（chǎng）；FLIR熱成像儀

引言

數控加工技術向（xiàng）著高可靠性、高速度以及高精度的方向快速發展，現代製造（zào）行業對數控機床的加工速（sù）度、加（jiā）工效率的要求越來越高。改（gǎi）善車（chē）床的熱特性，成為製造業發展中最重要的研究課題（tí）之一。數控車床產生的熱變形，是因為（wéi）車床的溫度升高而造成車床部件會膨脹或者變形，從而導致刀具與工件之間的相對位（wèi）移產生變化。熱誤差（chà）是高精度、高速機床的最大誤差源，約占總（zǒng）誤（wù）差的70%左右。主軸作（zuò）為高檔數控車床的最重（chóng）要零部件之一，主軸的熱變形主要是由主軸（zhóu）的（de）溫度場分布不均勻所導致的，對數控車床主軸的（de）溫度（dù）場進行測（cè）試，對後續進行熱變形（xíng）分析，提高車床的加工精度、加工（gōng）效率顯得尤為重要。

以CAK3665數控車床主軸為研究對象，對主軸熱穩定後的整（zhěng）體溫度變化以及分布數據進行測試，並提出（chū）改善由於熱（rè）源所造成的主軸溫度場分布不均勻的方案。直接對改善車（chē）床主軸的熱（rè）特性提（tí）供了依據。

1、數控（kòng）車床主軸（zhóu）的熱源（yuán）

在正常工作的情況之下，數控車床的主軸受到內、外熱源的作用，這些熱源都不是恒定的，內部熱源與外（wài）部熱源（yuán）的分類如圖1所示。由於（yú）主軸（zhóu）上各零件的機（jī）構、材料、形狀都不盡相同，受熱性能也不相同；在結合麵處（chù）的每個連接件之間有不相同的表（biǎo）麵傳熱（rè）情況以（yǐ）及一（yī）定的熱阻等因素，使得數控車床主軸表麵產生了一（yī）個多變、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（liào）所生成的熱應力與熱位移隨著零部件的形狀、支承的方（fāng）式以及材料本身的物理屬性的不同而不同，這樣，主軸的熱變形（xíng）問題將變得更為複雜。

對（duì）主軸部件的加工精度起著（zhe）最重要影（yǐng）響作用的因素（sù）不是溫升，而是主軸上溫度場的分布，其實是指溫度的梯（tī）度與溫度場相對於主軸的對稱性分布。雖然（rán）主軸部件的（de）溫（wēn）升比較高，但（dàn）是，其溫（wēn）度場的分布比較均勻（yún），主軸係統（tǒng）每個點上的溫差比較小，主軸上溫度的梯度也很小（xiǎo），這樣，由溫升引起的誤差很小。但（dàn）是，即使主軸（zhóu）係統的溫升（shēng）很小（xiǎo），而主軸上（shàng）每個點的溫度場分布不對稱或者是各個點的溫差比較大，這樣（yàng），所導致的加（jiā）工誤差也會很大。

圖1 內外熱源分類（lèi）示意圖

2 、FLIR紅外（wài）熱成像儀測溫

紅外測溫為非（fēi）接（jiē）觸式測量，不改（gǎi）變被測量介質的溫度場，並且可以對移動物件的動態溫度進行測量。紅（hóng）外測溫的缺點為（wéi），在1000℃以下進行測量時，溫度（dù）誤（wù）差較大。但是（shì），對於運行中（zhōng）的機（jī）床進行測量，尤（yóu）其是指對旋轉部件的溫度檢測，這種非接觸式的測溫方式是最為合適的。

利用熱（rè）成像儀（yí）來檢測物體輻射單元的輻射能量。利（lì）用斯蒂芬.玻爾茲曼定律來求輻（fú）射單元的（de）表麵溫度，被測物體表麵（miàn）的輻射能量被紅外線熱像儀轉化成為視頻可見的圖像，通過光掃描（miáo）機構，紅外探測器進行探測輻射單元的輻射能量（liàng），並且將輻射單元的輻（fú）射能量轉化成（chéng）為電子視頻信號，再經過信號的（de）處理，能夠（gòu）顯示出可（kě）見的圖像。熱像圖用來表示被測量表麵的二維（wéi）輻射能量場以及所對應的（de）物體表麵的溫度分布場。

在測量之前確定的參數有：被測量物（wù）體表麵的發射率ε，被測量物體和熱成像儀檢測元件之間的距離Dobj，被測量物體（tǐ）周圍的溫度或者環境反射溫度Trefl，及其大氣溫度Tatm。

斯（sī）蒂芬.玻爾茲曼（màn）定律：

3、實驗檢測（cè）

以沈陽機床集團CAK3665經濟型數控（kòng）車床主軸為研究對象，進行測試該機（jī）床（chuáng）主軸的溫度（dù）場分布以及溫升變化規律。CAK3665數控車床的整體結構示意圖如圖2所示。

圖2 CAK3665數控車床整（zhěng）體圖形（xíng）

機床在冷態下開始試驗，環境溫度為22℃，相（xiàng）對濕（shī）度為50%，由於主軸采用鑄鐵（tiě）材料（liào），其（qí）傳播率為1.00，反射率為0.637，熱（rè）成像儀與發熱點的距離（lí）為2，滿足（zú）在試驗前12小時之內沒有工作，試驗時不準機床中途停（tíng）車。

利用FLIR熱成（chéng）像儀作為本試（shì）驗（yàn）主要的儀器設備，在數控車床主軸前後軸承以及其他主要熱源處布置測點，實驗時直接對各測點進（jìn）行測（cè）量即可，該（gāi）機床（chuáng）主軸的最高轉速為4000r/min，應采用2000r/min的轉速對數控車床主軸的溫（wēn）度場進（jìn）行測試，可保證機床在高速運行（háng）時絕對安（ān）全，並通過軟件的處理轉換為實際的溫度值。在主軸運轉時，運用熱成像儀對主軸進行定期拍照，記錄每一時刻的主（zhǔ）軸溫（wēn）升熱場，測得（dé）每一時刻各測點的溫度值，溫度測試（shì）係（xì）統的連接圖如圖3所示，其中，1為紅外（wài）熱像儀，2為火線（xiàn），3為運行數據釆集及處理軟件的PC機，4為（wéi）電源模塊。測試（shì）現場的圖片如圖4所（suǒ）示。

圖（tú）3 溫度測試係統連接示意圖（tú）

圖4 測試現場照片（piàn）

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（zhǔ）軸的溫度場分布如圖（tú）5所示。以最終主軸前後軸承處的最高（gāo）溫（wēn）升作為考核的指標（biāo），車床主軸在中速下連續運行270min，主軸軸（zhóu）承溫（wēn）升測量結果如表1所示。主軸在轉動過程中各個（gè）測量點的溫度時（shí）間變化曲線如圖6所示。

圖5 熱成（chéng）像儀測量的溫（wēn）度分布

圖6 溫度變化曲線（xiàn）

4、實驗結果分析

通過以上實驗，得出了數（shù）控（kòng）車床主（zhǔ）軸溫度分布圖，以及溫度隨時間的變化規律，由圖5可知，由於熱源的作用，使（shǐ）得（dé）整個溫度場的分布不均勻，在前後軸（zhóu）承及（jí）法蘭盤所在位置（zhì）處（chù）的溫度比（bǐ）其他地方高，主（zhǔ）軸後軸承處的溫度比前軸承處的高，主軸（zhóu）後軸承法蘭盤處的（de）溫度也比前軸承（chéng）法蘭盤處的高，主軸頭部將有翹（qiào）曲的趨勢，嚴重影（yǐng）響（xiǎng）機床加工精度。由圖6知，從冷（lěng）態下開（kāi）始試驗，車床（chuáng）主軸（zhóu）總共運行540min，在前270min運行（háng）的過程中，隨著（zhe）車床主軸的運轉，各測點的（de）溫度逐漸升高，當（dāng）車床主軸連續轉動270min時達到溫升（shēng）穩定，各測點的溫度（dù）值將不再隨著主軸的運轉而增加（jiā），後270min停（tíng）車冷卻，各測點的溫度逐漸降低。由表1可（kě）知，當車床主軸連續（xù）轉動270min時，各測點的溫度值將趨於穩定，此時，SP4（後軸承法蘭盤（pán））處的溫度值為32.281，SP5(後軸承)處的（de）值是31.582，SP8（前軸承法蘭盤）處的溫度值為30.744，SP7（前（qián）軸承）處的溫度值是31.863，由此得出前軸承法（fǎ）蘭盤處的最高溫升為7.8，後軸（zhóu）承法蘭盤處的（de）最高溫升為9.3。

5、改善溫度場分布不均勻的措施（shī）

主軸的熱變形主要是（shì）由主軸的（de）溫度場分布不均勻（yún）而導致的，而溫度（dù）場的分布不均勻是由主軸的冷源與熱源的綜合作用所引起的。綜合以上實驗測試的（de）結果，提出以下措施：

1）選擇合適的軸承支撐係統。使得主軸兩端的軸承熱變形基本一致，避免（miǎn）主軸發生（shēng）翹曲。

2）改善冷卻與（yǔ）散熱條件。用循（xún）環水、循環（huán）冷空（kōng）氣等方法對主要的發熱體進行冷卻，以（yǐ）便帶走（zǒu）主軸上（shàng）的熱量，從而減小主軸的熱變形量。

3）均衡溫度。在主軸結構中，通過對（duì）主軸各部位的溫度快速均衡，使得溫度較高位置（zhì）的熱量快速（sù）的傳到溫度較低的位置，以便達到熱（rè）量（liàng）與變形的平衡。

4）改善主軸結構。將主（zhǔ）軸設計對稱結構，以便在溫（wēn）升較大時，主軸各個部位所發生的變形平衡，減小加工誤差（chà）。

表1 主（zhǔ）軸軸承在中速下不同時間內的溫升測量結果

設（shè）計到仿（fǎng）真優化過程（chéng）。通過數字化工廠仿真平台，可直觀地觀察（chá）機器（qì）人（rén）在工作過程中運動狀況，對（duì）機器（qì）人及設（shè）備的運動軌（guǐ）跡進行建模仿真（zhēn），並對整體生產線進行節（jiē）拍優化，很好地指導生產實（shí）際，極大提升工程設計（jì）人員的設計（jì）效率，減輕設計人員的工作強度，縮短工藝規劃時間，優化生產布局（jú），避（bì）免機器人與設備間（jiān）的幹涉情況，減少不（bú）必要的浪（làng）費。

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