立式數(shù)控機(jī)床主軸熱態(tài)精度檢測
2014-1-15 來源：數(shù)控機(jī)床市場網(wǎng) 作者：馬曉波 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(shù)控機(jī)床主軸進(jìn)行高精度測量，試驗獲取主軸端徑向和軸向熱位移，以及主軸系統(tǒng)熱敏感位置的溫升。對于機(jī)械式主軸，主軸前后軸承和減速器因高速滾動摩擦發(fā)熱，使得主軸的發(fā)熱量很大，造成的熱變形會嚴(yán)重影響機(jī)床的加工精度。對于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、技術(shù)成熟的數(shù)控機(jī)床，提高數(shù)控機(jī)床的熱態(tài)精度最有效的措施是改進(jìn)機(jī)床的主軸潤滑方式或者對主軸軸承進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。
關(guān)鍵詞: 主軸溫度場;主軸熱誤差;熱穩(wěn)定時間;熱態(tài)精度
1 引言
數(shù)控機(jī)床的精度通常分為幾何精度、位置精度和工作精度。幾何精度和位置精度可概括為機(jī)床的靜態(tài)精度，靜態(tài)精度只能在一定的程度上反映機(jī)床的加工精度。除此之外，機(jī)床的精度還主要有動態(tài)精度，是指機(jī)床在外載荷、溫升及振動等工作狀態(tài)作用下的精度。而其中對動態(tài)精度影響最為嚴(yán)重的是機(jī)床生熱造成的熱態(tài)精度。
溫升是評定機(jī)床主軸的一項重要性能指標(biāo)，綜合反映了主軸的設(shè)計、制造水平和材料質(zhì)量。主軸系統(tǒng)的溫升，通常是指在無外加載荷和無外部熱源影響的條件下的典型區(qū)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系統(tǒng)溫升的典型區(qū)域。系統(tǒng)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，系統(tǒng)的熱態(tài)特性就越差。
2 試驗條件
使用 API 主軸誤差測試分析儀，測量范圍 0. 1－0. 8mm，測量頻率10s/s，分辨率0. 1μm，可測量的最大主軸轉(zhuǎn)速為 60000r/min。在 5 個自由度(X軸、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，并配備 20 個帶磁性底座的熱傳感器以及計算機(jī)輔助軟件，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(tài)誤差分析儀自帶的溫度傳感器外，還輔以紅外熱像儀進(jìn)行溫度場測試。利用紅外熱成像原理可測量 －40— +120℃范圍內(nèi)的溫度變化，近焦距 ＜0. 3m，精度 ±2Co或讀數(shù)的 ±2%，采樣頻率 1Hz。
機(jī)床主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主軸軸承、電機(jī)等由于摩擦而生熱，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(xiàn)熱變形現(xiàn)象，不對稱熱變形將導(dǎo)致主軸系統(tǒng)精度降低，具體表現(xiàn)為主軸沿軸向的伸長和主軸沿徑向的彎曲變形。研究表明，影響高速機(jī)床加工精度的主要因素之一是熱誤差，在用現(xiàn)代機(jī)床加工零件的制造誤差中，機(jī)床熱變形所引起的制造誤差可占總誤差的 50%，在精密加工中熱誤差約占機(jī)床總誤差的 40%—70%。而主軸系統(tǒng)的熱變形誤差又是引起機(jī)床熱變形誤差的重要因素。因此，主軸系統(tǒng)的熱特性分析與設(shè)計對機(jī)床精度的保證至關(guān)重要，是高速高精度機(jī)床必須要考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。
3 主軸熱態(tài)精度測試
主軸溫升和熱變形實驗包括空載溫升試驗和熱變形測試試驗。空載溫升試驗用來檢驗空運(yùn)轉(zhuǎn)情況下軸承的溫度與溫升，評定機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫度場分布。主要目的是檢驗裝配質(zhì)量，實現(xiàn)軸承的充分磨合和潤滑。溫升試驗使主軸在額定電壓額定轉(zhuǎn)速和額定功率下連續(xù)空載運(yùn)行，直至主軸和部分溫度達(dá)到實際熱穩(wěn)定狀態(tài)。主軸熱態(tài)誤差測試使用API 主軸誤差分析儀，型號 SPN-500，主軸轉(zhuǎn)速3000rpm，每 10s 采集一次，總采樣點(diǎn) 1797 個。利用FLIＲ 熱成像儀，可以采集到機(jī)床主軸系統(tǒng)的溫度變化及分布數(shù)據(jù)，了解及掌握機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中主軸系統(tǒng)的實際工況，如熱平衡時間、主軸系統(tǒng)不同時刻在各方向的變形量等信息，對主軸系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和動態(tài)補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。
測試在生產(chǎn)車間進(jìn)行，室溫 28 －32℃。機(jī)床在冷態(tài)下開始試驗，為了得到良好的測試數(shù)據(jù)，試驗前機(jī)床超過 12h 之內(nèi)處于空閑狀態(tài)，可保證機(jī)床測試初始條件良好，試驗時不準(zhǔn)中途停車。該試驗機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速范圍為 5000 －6000r/min，在安裝檢棒以后，為了保證機(jī)床在高速運(yùn)行時的絕對安全，在進(jìn)行主軸箱溫升及主軸系統(tǒng)熱變形試驗時，采用3000r/min 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升及熱變形試驗。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(jī)床主軸熱態(tài)精度分析
(1)主軸瞬態(tài)溫度場
使用 FLIＲ 紅外熱像儀對測試部位進(jìn)行測量時，需確定被測物體的發(fā)射率、反射溫度、測量距離和環(huán)境的相對濕度。由于紅外熱像儀對被測物體表面的反射率等較敏感，因此需在關(guān)鍵點(diǎn)處貼上膠布，降低表面反射率，同時可以使表面反射率具有一致性，提高測試精度。
除利用溫度傳感器對敏感位置進(jìn)行溫升測試外，輔以紅外熱像儀對空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗進(jìn)行溫度場采集，可有效了解溫度分布狀況以及主要熱源的熱平衡狀況。瞬態(tài)溫度場關(guān)注系統(tǒng)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(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn)布置位置。表 1 為主軸上關(guān)鍵點(diǎn)位置分布匯總，其中溫度測點(diǎn)共計3 個。
整個試驗過程中主軸上主要關(guān)鍵點(diǎn)的溫度隨時間變化情況見圖 5。從圖中曲線的走勢看，主軸系統(tǒng)在開始的一個小時的時間里溫度上升較快，接下來的一個小時里溫升較緩和，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。
由溫升曲線可知，在主軸以 3000r/min 連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 4 個小時期間，主軸軸端的溫升較為一致，主軸溫升較快，最大溫升大概 10℃左右。
圖 7 是溫度傳感器的溫度—時間曲線，圖中最下部的曲線表示環(huán)境溫度，由圖中溫度測點(diǎn) 1—5 溫度—時間變化曲線可見，溫升趨勢明顯，并且不同測點(diǎn)具有相同的變化趨勢。主軸溫升和熱變形在經(jīng)過2 h 10 min 后基本達(dá)到熱穩(wěn)定，與中小機(jī)床一般 4 h的平均熱平衡時間相比，被測機(jī)床更快達(dá)到熱穩(wěn)定，機(jī)床的熱態(tài)性能優(yōu)異。另外，與熱像儀測試獲得的溫升曲線比較發(fā)現(xiàn)，兩種溫度測量方式得到的結(jié)果一致。
(2)主軸熱變形
測試時，機(jī)床主軸安裝一熱敏感較低的檢棒，熱變形測試時每隔 10s 采集一次數(shù)據(jù)。主軸熱變形試驗數(shù)據(jù)受檢棒本身精度及檢棒和機(jī)床主軸連接后的裝配精度影響很大，檢棒與主軸連接后，其隨主軸旋轉(zhuǎn)的跳動(包括徑向跳動和端跳)越小，測試結(jié)果的精度越高;反之則會降低測試精度。
主軸熱變形測試使用 API 主軸誤差測試和分析系統(tǒng)，系統(tǒng)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(yuǎn)主軸端 0. 0056mm;在 Y 方向的熱變形為:近主軸端 0. 0250mm，遠(yuǎn)主軸端 0. 0280mm;主軸最大伸長為 0. 0564mm。
圖 6 為主軸熱變形—時間關(guān)系曲線，圖 7 為主軸熱傾角—時間曲線，表 2 為主軸熱變形測試結(jié)果匯總。從圖 6 不難看出，機(jī)床主軸的熱變形量很小，并且機(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(jié)構(gòu)機(jī)床在 X 軸向具有相對熱對稱結(jié)構(gòu)，可以較好地平衡掉加工誤差;而 Y 方向和 Z方向是誤差的敏感方向，在機(jī)床設(shè)計中應(yīng)注意改善結(jié)構(gòu)，優(yōu)先考慮對稱布局，并且可通過加大熱敏感方向的通風(fēng)、冷卻來達(dá)到抑制目的。此外，也可在熱敏感方向布置熱源，通過熱平衡方法達(dá)到變形的抵消。
根據(jù)試驗結(jié)果，本機(jī)床在主軸以 3000r/min 運(yùn)轉(zhuǎn)時，近 4 個小時的熱變形測試過程中，主軸在 X和 Y 兩個方向的熱變形并不很明顯。在 Z 軸方向熱變形較大，且變化率較快，應(yīng)給予足夠的重視。在2 小時左右主軸系統(tǒng)達(dá)到熱平衡。
綜上，由于被測機(jī)床的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，熱態(tài)結(jié)構(gòu)合理，可保留機(jī)床的設(shè)計結(jié)構(gòu)，在不增加外部補(bǔ)償?shù)却胧┑臈l件下，通過改善機(jī)床主軸的潤滑方式或增加主軸軸承等主要發(fā)熱體的冷卻強(qiáng)度，可有效地改善機(jī)床的熱態(tài)性能，從而提高機(jī)床的工作精度。
5 結(jié)語
(1)通過試驗方法獲得加工車間立式數(shù)控機(jī)床的溫度場、溫升和熱變形狀況，被測機(jī)床超過 2 小時即可達(dá)到熱平衡，與中小機(jī)床一般 4 小時的熱平衡時間相比，被測機(jī)床更快達(dá)到熱穩(wěn)定，并且熱變形量極小，機(jī)床的熱態(tài)性能優(yōu)異。
(2)機(jī)床的軸向熱伸長較徑向熱變形更大，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(biāo)。
(3)通過改善機(jī)床主軸的潤滑方式或增加主軸軸承等主要發(fā)熱體的冷卻強(qiáng)度，可有效改善機(jī)床的熱態(tài)性能，從而提高機(jī)床的工作精度。
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