立式數控機床主軸熱態精度檢測-齒輪加工機（jī）床網-數控機床市場網

您現在（zài）的位（wèi）置（zhì）：齒輪加（jiā）工機（jī）床網（wǎng）> 技術前沿>立式數控機床主軸（zhóu）熱態精（jīng）度檢測

立式數（shù）控機床主軸熱態精度檢測

2014-1-15 來源：數控機床（chuáng）市場網作者：馬曉波（bō）仇健

摘（zhāi）要: 利用電容式（shì）位移傳感器和電阻式溫度傳感器對立式數控機床主軸進（jìn）行高精度（dù）測量，試驗獲取主軸端徑向和軸向熱位移，以及主軸係統熱敏感位置的溫升。對於機（jī）械式主（zhǔ）軸，主軸前後軸承和減速器因高速滾動（dòng）摩擦發熱，使得主軸（zhóu）的發熱量很大，造成的熱變形會嚴重影（yǐng）響機床的加工（gōng）精度。對於結構穩定、技術成熟的數控機（jī）床，提高數控機床的熱態精度最（zuì）有效的措施是改（gǎi）進機床的主軸潤滑方式或者對主軸軸（zhóu）承進行（háng）強製冷卻。

關鍵詞: 主軸溫度場;主軸熱誤差;熱穩定時間（jiān）;熱態精度

1 引言

數控機床的精（jīng）度通常分為幾何精度、位置（zhì）精度和工作精度。幾何（hé）精度（dù）和位置精度（dù）可概括為機（jī）床的靜（jìng）態精（jīng）度（dù），靜態精（jīng）度隻能在一定的程（chéng）度上（shàng）反（fǎn）映機（jī）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（zǎi）荷、溫升及振動等工作狀（zhuàng）態作用下的精度。而其中對動態精（jīng）度影響最為嚴重的是機床生熱造成的熱態精度。

溫升是（shì）評定機床主軸的一項重要性能指標，綜合反映了主軸（zhóu）的設計、製造水平和材料質量。主軸係統的溫升（shēng），通常是指在無外加載荷和無外部熱（rè）源影響的條件下的典型（xíng）區域溫度與環境溫度的差（chà）值。通（tōng）常用主軸前軸承的外圈作為（wéi）測量係統溫升的典型區域。係統的溫升越高，零配件的熱變形越大，引（yǐn）起精度喪失的可能（néng）性越大，係（xì）統的熱態特性就越差。

2 試驗條（tiáo）件

使用 API 主軸誤差測試分（fèn）析儀，測量範圍（wéi） 0. 1－0. 8mm，測量頻率10s/s，分辨率0. 1μm，可（kě）測量的最大主軸轉速為 60000r/min。在 5 個（gè）自（zì）由度(X軸、Y 軸和 Z 軸漂移、X 軸（zhóu）和 Y 軸傾斜)上測量和分析主軸誤差的短期和長期變化，並（bìng）配備 20 個帶磁性底座的熱傳感器以及計算機輔助軟件，可（kě）以描述主軸的溫度及變形狀況。溫（wēn）度測量除（chú）使用主軸動態誤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（chéng）像原理可測量－40— +120℃範圍內（nèi）的溫度變化，近焦距＜0. 3m，精度 ±2Co或讀數的 ±2%，采樣頻率 1Hz。

機床（chuáng）主軸在運轉過程中主軸軸承、電機（jī）等由於摩擦而生（shēng）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過程中會出現熱變形現象，不對稱熱變形將導致主軸係統精（jīng）度降低，具體表現為主軸沿軸向的伸長和主軸沿徑（jìng）向的彎曲變形。研究表明，影響（xiǎng）高速機床加工精度的主（zhǔ）要因（yīn）素之一是熱誤差，在用現代機床加工零件（jiàn）的製造（zào）誤（wù）差中（zhōng），機床熱變形所引（yǐn）起的製造（zào）誤差可占總誤差的 50%，在精密（mì）加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的保證至關重要，是（shì）高速高精度機床必須（xū）要考慮的關鍵技術之一。

3 主軸熱態精度測試

主軸溫升和熱變形實（shí）驗包括空載溫升試驗和熱變（biàn）形測試試（shì）驗。空載溫升試驗用來檢驗空運轉情況下軸承的溫度與溫升，評定機床主軸係統的溫度場分布（bù）。主要目的是檢驗（yàn）裝配質量，實現軸承的充分磨合（hé）和潤滑。溫升試驗使主軸在額定電壓額定（dìng）轉（zhuǎn）速和額定（dìng）功率下連續（xù）空載運行，直至主（zhǔ）軸和（hé）部分溫度達到實際（jì）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（měi） 10s 采集一次，總采樣點（diǎn） 1797 個。利用FLIＲ熱成（chéng）像儀，可以采集到機床主軸係（xì）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（píng）衡時間、主軸係統不同時刻在各方向的變形量等信息，對主軸係（xì）統的優（yōu）化設計和動態補償提供了基礎數據支撐。

測（cè）試在（zài）生產車間進（jìn）行，室溫 28 －32℃。機床在冷（lěng）態下開始試驗，為了得到良好的測試數據，試驗（yàn）前機床超過（guò） 12h 之內處於空閑狀態，可保證機（jī）床測試初始條件良好，試驗時不準中途停車。該試驗機床（chuáng）主軸最高轉速範圍（wéi）為 5000 －6000r/min，在（zài）安裝檢棒以後，為（wéi）了保證機床在高速運行時的絕對安全，在進行主軸（zhóu）箱溫升及主軸係統熱變形試（shì）驗時，采用3000r/min 的轉速進行溫升及熱變形試驗。主軸熱變形測試時間從（cóng）上午8:30 到（dào）中午12:30，共4 個小時。

4 機床主軸熱（rè）態精度分析

(1)主（zhǔ）軸瞬態溫度場

使用 FLIＲ紅外熱（rè）像儀對測試部位進行測量（liàng）時，需確定被測物體的發射率、反射溫度、測量（liàng）距離和環境的相對（duì）濕度。由於紅外熱像儀對被測物體表麵的反射率等較敏（mǐn）感，因此需在關鍵點處貼上膠布，降低表麵反射率，同時可以使表麵反射率具有一致性，提（tí）高測試精度。

除利用（yòng）溫度傳感（gǎn）器對敏感位置進行溫升測（cè）試外，輔以紅外熱像（xiàng）儀對空運轉試驗進行溫度場采集，可有（yǒu）效了解溫度分布狀況以及主要熱源的熱平衡狀況。瞬態溫度場關注係統的溫度隨時間變化情況，圖 3 和圖4 分別為測試開始和結（jié）束時的主軸溫度分布情況，圖中十字點為關鍵點布（bù）置位置。表（biǎo） 1 為主軸上關鍵點位置分布匯總，其中溫度測點共（gòng）計3 個。

整個試驗過程中主（zhǔ）軸上（shàng）主要關鍵點的溫度隨（suí）時間變化情況見（jiàn）圖 5。從（cóng）圖中曲線的走勢看，主軸係統在開始的（de）一個小時的時間裏溫度上升較快，接下來的一個（gè）小時裏溫升較緩和，然後趨於穩定狀態。

由溫（wēn）升曲線可知，在主軸以（yǐ） 3000r/min 連續運轉 4 個（gè）小時期間，主軸軸端的溫（wēn）升較為一致，主軸（zhóu）溫升較快，最大溫升大概 10℃左右。

圖 7 是溫度傳感（gǎn）器（qì）的溫度—時（shí）間曲線，圖中最下部的曲線表示環境溫度，由圖中溫（wēn）度測點 1—5 溫度—時間變化曲線可見，溫升趨勢明顯，並且不同測點具有相同的（de）變（biàn）化趨勢。主軸溫升和熱（rè）變形在（zài）經過2 h 10 min 後（hòu）基本達到熱穩定，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，與熱像儀測試獲得的溫升曲（qǔ）線比較（jiào）發現（xiàn），兩種溫度（dù）測量方式得到的結果一致。

(2)主軸熱變形

測試時（shí），機床主軸安裝一熱敏（mǐn）感較低的檢棒（bàng），熱變形測（cè）試（shì）時每隔 10s 采集一次數據。主軸熱變形試驗數據受檢棒本身（shēn）精度及檢棒和（hé）機床主軸連接後的裝配精度影響很大，檢棒與主軸連接後，其（qí）隨主（zhǔ）軸旋轉的跳動(包括（kuò）徑（jìng）向跳動和端跳)越小，測試結果的精度越高;反（fǎn）之則會降低測試精（jīng）度。

主軸熱變形（xíng）測試（shì）使用 API 主軸誤（wù）差（chà）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，遠主軸端 0. 0056mm;在 Y 方向（xiàng）的熱變形為:近主軸端 0. 0250mm，遠主軸端 0. 0280mm;主軸最大伸長為（wéi） 0. 0564mm。

圖（tú） 6 為主（zhǔ）軸熱變形—時間關係曲線（xiàn），圖（tú） 7 為主軸熱傾角—時間曲線，表 2 為（wéi）主軸熱變形測試結果匯總。從圖 6 不難看出，機（jī）床主軸的熱變形量很小，並且機床整體熱變形在 X 向較小，在 Y 向和 Z 向相對較大（dà），說明此種結構機床在 X 軸（zhóu）向具有相對熱對稱結構，可以較好地平衡掉加（jiā）工誤差;而 Y 方向和 Z方向是誤差的敏感方向，在機床設計中應注意改善結構，優先考（kǎo）慮對（duì）稱布局，並且可通過加大熱（rè）敏感方向的通風、冷（lěng）卻來達到抑（yì）製目（mù）的。此外（wài），也可（kě）在熱敏（mǐn）感方向布置熱源，通（tōng）過（guò）熱（rè）平衡（héng）方法達到變形的（de）抵消（xiāo）。

根據試驗結果，本機床在主軸以 3000r/min 運轉時，近 4 個小時的熱變形測試（shì）過程中，主軸在（zài） X和（hé） Y 兩個方向的熱變形（xíng）並不很明顯。在 Z 軸方向熱變形較大，且變化率較快（kuài），應給予足夠（gòu）的重視。在2 小時左（zuǒ）右主軸係統（tǒng）達到熱平衡。

綜上，由於被（bèi）測機床的結構穩定，熱態結（jié）構合理，可（kě）保留機床的設計結構，在不增加外部補償等措施的（de）條件下，通過改善機床主軸的潤滑（huá）方式（shì）或增加主軸軸承等主要發熱體的冷卻強度，可有效地（dì）改善機床的熱態（tài）性能，從而提高機（jī）床的（de）工作精度。

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（dù）場、溫（wēn）升和熱（rè）變形狀況，被測機床超過 2 小時即可達到（dào）熱平衡，與中小機床一般 4 小時的熱平衡時間相比，被測機床更快達到熱穩定（dìng），並且熱變形量極小，機床的熱態性能優異。

(2)機（jī）床的軸向熱（rè）伸長較徑向熱（rè）變形更大，提高軸向熱態精度是提高該機床工作精度的主要（yào）目標。

(3)通過改善機床主軸的潤滑方式或增加（jiā）主軸軸承等主要（yào）發熱（rè）體的冷卻強度，可有效改善機床的熱態性能，從而提高機床的工作精度。

投稿箱：
如果您有機床行業、企（qǐ）業相關新聞稿件發表，或（huò）進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部，郵箱（xiāng）：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多（duō）

博文選萃

| 更多