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立式數控（kòng）機床主軸熱態（tài）精（jīng）度檢測

2014-1-15 來源：數控機床市場網作者：馬（mǎ）曉波仇健

摘要: 利用電容式位移傳感器和電阻式溫度傳感器對立式數控（kòng）機床主軸進（jìn）行高精度測量，試驗獲（huò）取主軸端徑向和軸向熱位移，以及主軸係（xì）統熱敏感位置的溫升（shēng）。對於機械（xiè）式（shì）主軸，主軸前後軸承和減速器因高速滾動摩擦（cā）發熱，使（shǐ）得主軸的發熱量很大，造成的熱變形會嚴重影響機床的加工精度。對於結構穩定、技術成熟（shú）的數控機床，提高（gāo）數控機床的熱態精度最有效的措施是改進機床（chuáng）的主軸潤滑方式或者對主軸軸承進行強製（zhì）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

數控機床的（de）精度通常分為幾何精（jīng）度、位置精度和工作精（jīng）度。幾何精度和位置精度（dù）可概括為機床（chuáng）的靜態（tài）精度，靜態精度隻（zhī）能在一定的程度上反映機（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（shì）指機床在外載荷（hé）、溫升及振動等工作狀態作用下（xià）的精（jīng）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（tài）精度。

溫升是評定機（jī）床主軸（zhóu）的一項重要性能指標，綜（zōng）合反映了主軸的設計、製造水（shuǐ）平和材料（liào）質量。主軸係統的溫升，通常是指（zhǐ）在無外（wài）加載荷和無外部熱源影響的條件下的（de）典型區域（yù）溫度與環境溫度（dù）的差值。通常用主軸前軸承的外圈作為測量係統（tǒng）溫升的典型區域。係統的溫升越高，零配件的熱變形越大，引起精度喪失的可能性越大，係統的熱態特（tè）性就越差。

2 試驗條件

使用（yòng） API 主軸誤差測試分析（xī）儀，測量範圍 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為 60000r/min。在 5 個自由（yóu）度(X軸、Y 軸（zhóu）和 Z 軸漂移、X 軸和 Y 軸傾（qīng）斜)上測量和分析主軸誤差的短（duǎn）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輔助軟件，可以描述主軸的溫度及變形狀況（kuàng）。溫度測量除使用主軸動態誤差（chà）分析儀自帶的溫度傳（chuán）感器外（wài），還（hái）輔以紅外熱像儀進行溫度（dù）場測試（shì）。利用紅外熱成（chéng）像原理（lǐ）可測（cè）量－40— +120℃範圍內的溫度變（biàn）化，近焦距＜0. 3m，精度 ±2Co或讀數的 ±2%，采樣（yàng）頻率 1Hz。

機床（chuáng）主軸在運轉過程中主軸軸承、電（diàn）機等由於（yú）摩擦而生熱，尤其是高速主（zhǔ）軸，其溫（wēn）升更快、更（gèng）高。主軸裝（zhuāng）配體部件在溫度升高過程（chéng）中會出現熱變形現（xiàn）象，不對稱熱變形將導致主軸係統精度降低，具體表現為主軸沿軸向的伸（shēn）長和主軸沿徑向的彎曲變形。研究表明，影響高速機床（chuáng）加工精度的主要因素之一是熱誤差，在用現代機（jī）床加工零件的製造誤差中，機床（chuáng）熱（rè）變形所引起的製造（zào）誤差可占總誤差的 50%，在（zài）精密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（yǐn）起機床（chuáng）熱（rè）變形誤差的重要因素。因（yīn）此，主軸（zhóu）係統（tǒng）的熱特性分析與設計對機床（chuáng）精度的保（bǎo）證至關重要，是高速高（gāo）精度機（jī）床必須要（yào）考慮的關鍵技術之一。

3 主軸熱（rè）態精度測試

主軸溫（wēn）升和熱（rè）變（biàn）形實驗包括空載溫升試驗和熱變形測試（shì）試驗。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（chǎng）分布。主（zhǔ）要目的是檢驗裝配質量，實現軸承的充分磨（mó）合和潤滑。溫升試（shì）驗使主（zhǔ）軸在額定電壓額（é）定轉（zhuǎn）速和額（é）定功率下連續空載運行，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（chà）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（yòng）FLIＲ熱成像（xiàng）儀，可以采集到機床主軸係統（tǒng）的溫（wēn）度變化及分布數據，了（le）解及掌握機床在運轉過程中（zhōng）主軸係統的實際工況，如熱平衡時間、主軸係統不同時刻在各方向的變形量等（děng）信息，對主軸係（xì）統的優化設計和動態補償提供了基礎數（shù）據支撐。

測試在生產車間進行，室溫 28 －32℃。機床在冷態下開始試驗，為了得到良好的測試數據，試驗前機床超過 12h 之內處於空（kōng）閑狀態，可保證機床測試初始條件（jiàn）良好，試驗（yàn）時不準中途停車。該（gāi）試驗機床主軸最高轉速範圍為 5000 －6000r/min，在（zài）安裝檢棒以後，為了保（bǎo）證機床在高速運行時的絕對安（ān）全，在進行主軸箱溫升及主軸係統熱變形（xíng）試驗時，采用3000r/min 的轉速進行溫（wēn）升及熱變形（xíng）試驗。主軸熱變（biàn）形測試時間從上午8:30 到中午12:30，共4 個小時。

4 機床主軸熱態精度分析（xī）

(1)主軸瞬態溫度場

使用 FLIＲ紅外熱（rè）像儀對（duì）測試部位進行測量時，需（xū）確定被測物體的發射率、反射（shè）溫（wēn）度、測量（liàng）距離和環境的相（xiàng）對濕度。由於紅外熱像儀對被測物體表（biǎo）麵（miàn）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（lǜ），同時可以使表麵反射率（lǜ）具（jù）有一致（zhì）性，提高測試精度。

除利用溫度傳感器對敏感位置進行溫升測試外，輔以紅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及主要熱源的熱平（píng）衡狀況。瞬態溫度場關注係統的溫度隨時間變化（huà）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置位置。表 1 為主軸上關鍵點位置分（fèn）布匯總，其中溫度測點共計3 個。

整個試驗過程中主軸上（shàng）主要（yào）關鍵點的溫度隨時（shí）間變化情況見圖 5。從圖中曲線的走勢看，主軸（zhóu）係統在開始的一個小時的時間裏溫度上升較快，接下來（lái）的一個小時裏（lǐ）溫升較緩和，然後趨（qū）於穩定狀態。

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

圖 7 是溫度傳感器的溫度—時（shí）間曲線，圖中最下部的曲線表示環境溫（wēn）度（dù），由圖中溫度測點 1—5 溫度—時間變化曲線可見，溫升趨勢明顯，並（bìng）且不同（tóng）測點具有相同的變化趨勢。主軸溫升和熱變形在經過（guò）2 h 10 min 後基本達到熱（rè）穩定，與中小機床一（yī）般 4 h的平均熱平衡時間相比，被測機床更快達到熱穩定，機床的熱態性能優異。另外，與熱像儀測試獲得的溫升曲線比較發現，兩種溫度測量方式得到的結果一致。

(2)主軸熱變形（xíng）

測試（shì）時，機床主軸安裝一熱敏感（gǎn）較低的檢棒，熱變形測試（shì）時每隔 10s 采集一次數據。主軸熱變形試（shì）驗數據受檢棒本身（shēn）精度及檢（jiǎn）棒和機床主軸（zhóu）連接後的裝配精度影響很大，檢棒與主軸連接後，其隨主軸旋轉的跳動(包（bāo）括徑向跳動和端跳)越小，測試結果的精度越高;反之則會降（jiàng）低測（cè）試精度。

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

圖 6 為主軸（zhóu）熱變（biàn）形—時間關係曲線，圖 7 為主軸熱傾角—時間曲（qǔ）線，表 2 為主軸熱變形測試結果匯總。從圖 6 不難看出，機床主軸的熱變形量很（hěn）小，並（bìng）且機床整體熱變形在 X 向較小，在 Y 向和 Z 向相對較大，說明此種結構機（jī）床在 X 軸向具有相對熱對稱結構，可以較好地平衡（héng）掉加工誤差;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）慮對稱布局，並且可通過加大熱敏感（gǎn）方向的通風、冷卻來達到抑製目的。此外，也可（kě）在熱敏感方向布置熱源，通過熱平衡方（fāng）法達（dá）到變形的（de）抵消。

根據（jù）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過程中，主（zhǔ）軸在 X和 Y 兩個方（fāng）向的熱變形並不很明（míng）顯。在 Z 軸方向熱變形較大，且變化率（lǜ）較快，應給（gěi）予足夠的重視。在2 小時左右主軸係統達到熱平衡。

綜上，由於（yú）被測機床（chuáng）的結構穩定，熱態結構合理，可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（jī）床主軸（zhóu）的潤滑方式或增加主軸軸承（chéng）等主（zhǔ）要發熱體（tǐ）的冷卻強度，可有效地改善機床的熱態性能（néng），從而提高機床的工作精（jīng）度。

5 結語

(1)通過（guò）試驗方法獲得加工車間立式數控機（jī）床（chuáng）的溫（wēn）度場、溫升（shēng）和熱變形狀況，被測機床超過 2 小時即可達到熱平衡，與中小機（jī）床一般 4 小時的熱（rè）平衡時間相比，被測機床更快（kuài）達到熱穩定，並且熱變（biàn）形量極小（xiǎo），機床的熱（rè）態性能優異（yì）。

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

(3)通過改善（shàn）機床主軸的潤滑方式或（huò）增加主軸軸（zhóu）承等主要發熱體的冷卻強度，可（kě）有效改善機床的熱態性能，從而提高機床的工作精度。

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