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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（yuán）：沈陽理（lǐ）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（biàn）形對加工產品的質量和精度有（yǒu）重要的影響，溫度場的分布不均勻（yún）是導（dǎo）致熱變形的主要因素。以CAK3665經濟型數控車（chē）床（chuáng）主軸為研究對象，應用FLIR紅外熱成（chéng）像儀測溫技術對車床主軸的溫度場（chǎng）展開測量，分析造（zào）成車床主軸的溫度場分布不均勻的熱源，測（cè）出隨著車床主軸在中速下連（lián）續運轉，各測點（diǎn）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（fèn）析以及實現數控（kòng）車床的高速高精密加工（gōng）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（jiā）工技術向著高可靠性、高速度以及高精度的方向快速發展，現代製造行業（yè）對數控機床的加工（gōng）速度、加工效率的要求越（yuè）來越高。改善車（chē）床的熱特性（xìng），成為製造業發展中最重要（yào）的研究課題之一。數控車床產生的（de）熱變形，是因為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（yǔ）工件之間的相對位移產生變化（huà）。熱誤差是高精度、高速機床的最大（dà）誤差（chà）源，約占總誤差的70%左右。主軸作為高檔數控車床的最（zuì）重要零部件之一，主軸的熱變形（xíng）主要是由主軸（zhóu）的溫（wēn）度場分布不均勻所導致的，對數控車床主軸的溫度場進行測試，對後續進行熱變形分析，提高車床的加工精（jīng）度、加工效率顯（xiǎn）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體溫度變化（huà）以（yǐ）及分布數據進行測試，並提出改善由於熱源所造（zào）成（chéng）的主（zhǔ）軸溫度場分布不均勻的（de）方案。直接對改善車床（chuáng）主軸的熱特性提供（gòng）了依據。

1、數（shù）控車床主軸的（de）熱源

在正常工（gōng）作的情況之（zhī）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（dìng）的，內部熱源與外部熱源的分類如圖1所（suǒ）示。由於主（zhǔ）軸上各（gè）零件（jiàn）的機構（gòu）、材料、形狀都不盡相同，受熱性能（néng）也不相（xiàng）同；在結合麵處（chù）的每個（gè）連（lián）接件（jiàn）之間有不相同的表（biǎo）麵傳熱情況以及一定的（de）熱阻等因素，使（shǐ）得數控車床（chuáng）主軸表麵產生了一個多變、複雜的（de）溫度場。在形（xíng）成的（de）溫度場作（zuò）用的影響之下，主軸上每個零部件材料所生成的熱應力與熱位移隨著零部件的形狀、支承的（de）方式以及材料本身的物理屬性的不同而不同（tóng），這樣，主軸的熱變形問題將變得更為複雜。

對主軸部件的加（jiā）工精度起著最重要影響作用的因素（sù）不是（shì）溫升，而是主軸（zhóu）上溫（wēn）度場的分布，其實是指溫度（dù）的梯度與溫（wēn）度場相對於主軸的對稱性分（fèn）布。雖然主軸部件的溫升比較高，但是，其溫度場的分布比較均勻，主軸係統每個點上的溫（wēn）差比較小，主軸上溫度的（de）梯度也很小，這樣，由溫（wēn）升引起的誤差很小。但是，即使主軸係（xì）統的溫升很小，而主軸上每個點的溫度場分（fèn）布不對稱或者（zhě）是各個點的（de）溫差比（bǐ）較大，這樣，所導致（zhì）的加工誤差也會很大。

圖1 內外熱源分類（lèi）示意圖

2 、FLIR紅（hóng）外熱成像儀測溫

紅外測溫為非接觸式測量，不改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（liàng）。紅外測溫的缺點為，在1000℃以下進行測量（liàng）時，溫度誤差較大。但是，對於運行中的機床進行測量（liàng），尤其是指對旋轉部件（jiàn）的（de）溫（wēn）度（dù）檢測，這種非（fēi）接觸式的測溫方式是最為合適的。

利（lì）用熱成像儀來檢測物體（tǐ）輻射單元的輻射能（néng）量。利用斯蒂（dì）芬.玻（bō）爾茲曼定律來求（qiú）輻射單元（yuán）的表麵溫（wēn）度，被（bèi）測物體表麵的輻射能量被紅外線熱像儀轉化成（chéng）為視頻可見的圖像，通過光掃（sǎo）描機構，紅外探測器進（jìn）行探測輻射單元的輻射能量，並（bìng）且將輻射單元的輻射能量轉化成為電子視頻信號，再經過信號的處（chù）理，能夠顯示出可見的圖像。熱像（xiàng）圖用（yòng）來表示被測量表麵的二維輻射能量場以及所對應的物體表麵（miàn）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（liàng）物體（tǐ）和熱成像儀檢測元件之間的距離Dobj，被測量物體周圍的溫度或者（zhě）環境反射（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（tuán）CAK3665經濟（jì）型數控車床主軸為研究對象，進行測試該（gāi）機（jī）床主（zhǔ）軸的溫度場分布以及溫升變化規律。CAK3665數控車床的整體結構示意（yì）圖如圖2所示。

圖（tú）2 CAK3665數控車床（chuáng）整體圖形

機床在冷態下開始試驗，環境溫度為22℃，相對濕度為（wéi）50%，由於（yú）主軸采用鑄鐵材料，其傳播率（lǜ）為1.00，反（fǎn）射率（lǜ）為0.637，熱成像儀與發（fā）熱點的距離（lí）為2，滿足在（zài）試驗前12小時之內沒有工作，試驗時不準機床中途（tú）停車（chē）。

利用FLIR熱成像儀作為（wéi）本試（shì）驗主要的（de）儀（yí）器設備，在數控車（chē）床主軸前後軸承（chéng）以及其他主（zhǔ）要熱源（yuán）處布置測點，實驗時（shí）直接對各測點進行測量即可，該機床主軸的最高轉速為4000r/min，應采（cǎi）用2000r/min的轉速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，並通（tōng）過軟件的處理轉換為實際的（de）溫度值。在主軸運轉時，運用熱成像（xiàng）儀對主軸進行定期拍照，記錄每一時刻的主軸溫升熱場，測得每（měi）一時刻各測（cè）點的溫度值，溫度測試係統的連接圖（tú）如圖3所示，其中，1為紅外熱像儀，2為火（huǒ）線，3為運行數據釆集及處理軟件的PC機，4為電源模塊。測試現場的圖片如（rú）圖4所示。

圖3 溫度測試係統連（lián）接示意圖（tú）

圖4 測試現（xiàn）場照片

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

圖5 熱成像儀測量的溫度分（fèn）布

圖6 溫度變化曲線

4、實驗結果分析

通過以上（shàng）實驗，得出了數控車床主軸溫度分布圖，以及溫度隨（suí）時間的變化（huà）規律，由圖5可知，由於熱源的作用，使得整個溫度場的分布不均勻，在前後軸承及法（fǎ）蘭盤所在位置處的溫度比其他地方高，主軸（zhóu）後軸承處的溫度比前軸承處的高，主軸後軸承（chéng）法蘭盤處的（de）溫度也比前軸承法蘭盤處的高，主軸頭部將有翹曲的趨勢，嚴重影響機床加工精度。由圖6知，從冷（lěng）態下開始試（shì）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，各測點的溫度逐（zhú）漸升高，當車床主軸連續轉動270min時（shí）達到溫升穩定，各測點的溫度值將不再隨著主（zhǔ）軸（zhóu）的運（yùn）轉（zhuǎn）而增加，後270min停車冷卻，各測點的溫度（dù）逐漸降低。由表1可知，當車（chē）床主（zhǔ）軸連續轉動270min時，各測點的溫度（dù）值（zhí）將趨於穩定，此時，SP4（後（hòu）軸承法蘭（lán）盤）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（wéi）30.744，SP7（前（qián）軸承）處的溫度值是31.863，由此得出（chū）前軸承（chéng）法蘭盤處的最高（gāo）溫升為7.8，後軸承法（fǎ）蘭盤處的最高溫升為9.3。

5、改（gǎi）善溫度場分布不均勻（yún）的措施

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

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

2）改善冷卻與散熱條件。用循環水、循環冷空氣等方法對主要的發（fā）熱體進行冷卻（què），以（yǐ）便帶走主軸上的熱量，從而減小主軸的熱變形量。

3）均（jun1）衡溫度。在主軸結構中，通過對（duì）主（zhǔ）軸各部位的溫（wēn）度快速均衡，使（shǐ）得溫度較（jiào）高位置的熱量快速的傳到溫度較低的（de）位（wèi）置，以便達到（dào）熱量與變形的（de）平衡。

4）改善主軸結構。將主軸設（shè）計對稱結構，以（yǐ）便在溫（wēn）升較大（dà）時，主（zhǔ）軸各個部位所發生的變形平（píng）衡，減小（xiǎo）加工誤差。

表1 主（zhǔ）軸軸承在中（zhōng）速下不同時間內的溫升測量結（jié）果

設計到仿真優化過程。通過數字（zì）化工廠仿真平（píng）台（tái），可（kě）直觀地觀察機（jī）器（qì）人在工作過（guò）程中運動狀況，對機器人及設備的運動軌跡進行建（jiàn）模仿真，並對整體生產線進行節（jiē）拍優化，很（hěn）好地指導生產實際，極大提升工程設計人員的設計效率，減輕設（shè）計人員的工作強度，縮（suō）短工藝（yì）規劃時間，優化生產布局，避免機器人與設備間的幹涉情況，減少不必要的浪費。

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