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立式數控機床主軸熱態（tài）精度檢測（cè）

2014-1-15 來源：數控機床市場網作者：馬曉（xiǎo）波仇健

摘要: 利用電容式（shì）位移傳感器和電阻（zǔ）式（shì）溫（wēn）度傳感器對立式數控機床主軸進行高精（jīng）度測量，試驗獲取主（zhǔ）軸端徑向和軸向熱位移（yí），以（yǐ）及主軸係統熱敏感位置的溫升。對於機械式主軸，主軸前後軸承和減（jiǎn）速器（qì）因高速滾動摩擦發熱，使得主（zhǔ）軸的發熱量很（hěn）大，造成（chéng）的熱變形會（huì）嚴重影響機床的加工精度。對於結構穩定、技術成熟的數控機床，提高數控機（jī）床的（de）熱態精度（dù）最有效的措施是改進機床的（de）主軸潤滑方式或者對主軸軸（zhóu）承進行強製冷卻。

關鍵詞: 主軸（zhóu）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（de）精度通（tōng）常分為幾（jǐ）何精度（dù）、位置精度和工作精度（dù）。幾何精（jīng）度和位置精度（dù）可概括為機床的（de）靜態精度，靜態精（jīng）度隻能在一定的程度（dù）上反映機床的加工精度。除此之外，機（jī）床的精（jīng）度還主要有動（dòng）態（tài）精度，是指機床在外（wài）載荷、溫升及振動等工作（zuò）狀態（tài）作用下的精度（dù）。而其中對（duì）動態精度影響（xiǎng）最為（wéi）嚴重的是機床生熱造成的熱態（tài）精度。

溫（wēn）升是評定機床主軸的一項重要性能指標，綜合反映了主軸的設計、製造（zào）水平和材料質量。主軸係統的溫升，通常是指在無外加載荷和無外部熱源（yuán）影（yǐng）響的條件下的典型區域溫度與環（huán）境溫度的差值。通常用主軸前軸承的外圈作為測量係統溫（wēn）升的典型區域。係統的溫（wēn）升越高，零配件（jiàn）的熱（rè）變形越大，引（yǐn）起精度喪失的可能性越大（dà），係統的熱態特性就越差。

2 試驗條件

使用 API 主軸誤差測（cè）試分析（xī）儀，測（cè）量範圍（wéi） 0. 1－0. 8mm，測量頻（pín）率10s/s，分辨率0. 1μm，可測量的最大主軸轉速為 60000r/min。在 5 個自由度(X軸（zhóu）、Y 軸和 Z 軸漂移、X 軸和 Y 軸傾斜)上測量和分析主軸誤差的短期和長期變化，並配備 20 個帶磁性底座的熱傳感器以及計算（suàn）機輔助（zhù）軟件，可以描述主軸的溫度及變形狀況。溫度測量除使用主軸動態誤（wù）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（shì）。利用紅外熱成像原理可測（cè）量－40— +120℃範圍內的（de）溫度變化，近焦距＜0. 3m，精（jīng）度 ±2Co或（huò）讀數的 ±2%，采樣頻率（lǜ） 1Hz。

機床主軸在運轉過（guò）程中主軸軸（zhóu）承、電機等由於摩擦而生熱，尤其是高速主軸，其溫升更（gèng）快、更高。主軸裝配體部件在溫度升高過程中會（huì）出現熱變形現象，不對稱熱變形將導致主軸係統精度降低，具體表（biǎo）現為主軸沿（yán）軸（zhóu）向的伸（shēn）長和主軸沿徑向的彎曲變形。研究表明，影響高速機床加工精度的主要因素之一是熱誤差，在用（yòng）現代機床加工零件的製（zhì）造誤差中，機床熱變形所引起的製造誤差可占總誤差的 50%，在精密加（jiā）工中熱誤差約（yuē）占機床總誤差（chà）的 40%—70%。而主軸係統（tǒng）的熱變形（xíng）誤差又是引（yǐn）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（xī）與設（shè）計（jì）對（duì）機床精度的保（bǎo）證至關重要，是高（gāo）速高精（jīng）度機床必須要考慮的關鍵技術之一。

3 主軸熱態精（jīng）度測試

主軸溫升和熱變（biàn）形實驗（yàn）包括空載溫升（shēng）試驗和熱（rè）變形測試試驗。空載溫升試驗用來檢驗空運轉情況下軸承的溫（wēn）度與溫升，評定機（jī）床主軸係統的溫度場分布。主要目的是檢驗裝配質量，實現軸承的充分磨合和潤滑。溫升試驗使主軸在額定電壓（yā）額定（dìng）轉速和（hé）額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（zhǔ）軸誤差分析儀，型號 SPN-500，主軸轉速3000rpm，每 10s 采集（jí）一次，總（zǒng）采樣點 1797 個。利用FLIＲ熱成像儀，可以采集到機床主軸係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（tǒng）的實際工況，如熱平衡時間（jiān）、主軸係統不同（tóng）時刻在各方向的變形量等信息，對（duì）主軸係統的優化設計和動態補償提供了基礎數據支撐。

測試在生（shēng）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（hǎo）的測試數據，試驗前機床超過 12h 之內處於空閑狀態，可保證（zhèng）機床測試初始條件良（liáng）好，試驗時不準中途停（tíng）車。該試驗機床主軸最高轉速範圍為 5000 －6000r/min，在安裝檢棒以後，為了保證機床在高速運行時的絕對安全，在進行主軸箱溫升及主軸係統熱變形試驗時，采用（yòng）3000r/min 的轉速進行溫升及熱變形試（shì）驗。主軸熱變形測試時間從上午8:30 到中午12:30，共4 個小時。

4 機床主（zhǔ）軸熱態精度分析

(1)主軸瞬態溫度場

使用 FLIＲ紅外熱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、測量距離和環境的相對濕度。由於紅外熱像儀對被測物體表麵的反射率等較敏感，因（yīn）此需在關鍵點處貼上膠布，降低（dī）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。

除利用溫度傳（chuán）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度場采集（jí），可有效了解（jiě）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（jiān）變化情況，圖 3 和圖4 分別為測試開始和結束時的主軸溫度分布情況，圖中十（shí）字點（diǎn）為關鍵點（diǎn）布置位置。表 1 為主軸上關（guān）鍵點位置分布匯總，其（qí）中溫度測點共計3 個。

整（zhěng）個試（shì）驗過程中主軸上主（zhǔ）要關鍵點的溫度隨時間變化情況見圖 5。從圖中曲線的走勢看，主軸係（xì）統（tǒng）在開始的一個小時的時間裏溫度上升較（jiào）快，接下來的一個小時裏溫升較緩和，然後趨於穩定狀態。

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

圖 7 是溫度傳感器的溫度—時間曲線，圖中最下（xià）部的曲線表（biǎo）示環境溫度，由圖中溫（wēn）度測點 1—5 溫度（dù）—時間變化曲線可見，溫升（shēng）趨勢明顯，並且不同測點具有相同的變化趨勢。主軸溫升和熱變形在經過2 h 10 min 後基（jī）本達到（dào）熱穩定（dìng），與中小機床一般 4 h的平均熱平衡時（shí）間相比，被測機床更快（kuài）達到熱穩定，機床的熱態性能優異（yì）。另（lìng）外，與熱像儀測試獲得的溫升曲線（xiàn）比較發現，兩種溫度測量方（fāng）式得到的結果一致（zhì）。

(2)主軸熱變形

測試時（shí），機床主軸安裝一熱敏感較（jiào）低的檢棒，熱變形測試時每隔 10s 采集（jí）一次數（shù）據。主軸熱變形試（shì）驗數據受檢棒本身精度及檢棒（bàng）和機床主軸連接後的裝配精（jīng）度影響很大，檢棒與主軸連接後，其隨主軸旋轉的跳動(包括徑向跳動和端跳)越小，測試結果的精度越高;反之則會降低測試精（jīng）度。

主軸熱變形測試使用 API 主軸誤差測試和分析係（xì）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 方向的熱變（biàn）形為（wéi）:近主（zhǔ）軸端 0. 0250mm，遠主（zhǔ）軸端 0. 0280mm;主軸最大伸長（zhǎng）為 0. 0564mm。

圖 6 為主軸熱（rè）變形—時間（jiān）關係曲線，圖 7 為主軸熱傾角—時間（jiān）曲線，表（biǎo） 2 為主（zhǔ）軸（zhóu）熱變形測試結果（guǒ）匯總。從圖 6 不難看出（chū），機床主軸的（de）熱變形（xíng）量很小，並且機（jī）床整體熱變形在 X 向較小，在 Y 向和 Z 向相對較大，說明此種結構機床在 X 軸向具有相對（duì）熱對稱結構，可以較好地平衡掉加工誤差;而 Y 方向和 Z方向是誤差（chà）的敏（mǐn）感方向（xiàng），在機床（chuáng）設計中應注意改善（shàn）結構，優先考慮對稱布局，並且可（kě）通過加大熱敏感方向的通風、冷卻來（lái）達到抑製目的。此（cǐ）外，也（yě）可在熱敏感方向布置熱源，通（tōng）過熱平衡方法達到變形的抵消。

根據試驗結果（guǒ），本（běn）機床在主（zhǔ）軸以 3000r/min 運轉時，近 4 個小時的熱變形測試過程中，主軸在 X和 Y 兩個方（fāng）向的熱變形（xíng）並不很明顯。在 Z 軸方（fāng）向熱變形較大，且變化率較快，應給予足夠的（de）重視。在2 小時左（zuǒ）右主軸係統達到熱平衡。

綜上，由於被測機床（chuáng）的結構穩（wěn）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條件下，通過改善機床（chuáng）主軸的潤（rùn）滑方式或增加主軸軸承等主要（yào）發熱體的冷卻強度，可有（yǒu）效地改善（shàn）機床的熱態性能，從而提高機床的工作精度。

5 結語（yǔ）

(1)通過試（shì）驗方法獲得加工車間立式數控機床的溫度場、溫升（shēng）和熱變形狀況，被（bèi）測機床超過 2 小時即可達到熱平（píng）衡（héng），與中小機床一般（bān） 4 小（xiǎo）時的熱（rè）平衡時間相比，被測機（jī）床更快達到熱穩定，並且熱變形量極小，機床的熱態性（xìng）能優異。

(2)機床的軸向熱伸長較徑向熱變形更大（dà），提高軸向熱態（tài）精度是提高該機（jī）床工作精度的主要目標。

(3)通過改善機床主軸的（de）潤滑方式或增（zēng）加主軸軸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（zuò）精度。

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