主軸轉(zhuǎn)速和溫升對主軸動(dòng)態(tài)誤差影響的測試

主軸轉(zhuǎn)速和溫升對主軸動(dòng)態(tài)誤差影響的測試*

許穎1，劉闊2

(1. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春130022；2. 沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司 高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽110142)

摘要：文章分析了主軸動(dòng)態(tài)誤差測試的重要性，以及主軸動(dòng)態(tài)誤差的具體類型及其對加工的影響。在某立式加工中心上對主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差(包括徑向同步誤差和異步誤差、軸向同步誤差和異步誤差以及主軸最小徑向間距)進(jìn)行了測試并給出了測試數(shù)據(jù)。測試分為兩部分：冷態(tài)下的主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差測試和熱態(tài)下的主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差測試。對測試結(jié)果進(jìn)行了分析，包括主軸轉(zhuǎn)速和溫升對動(dòng)態(tài)誤差的影響。最后，在加工中心上采用立銑刀對鋁料進(jìn)行了圓銑槽，結(jié)果表明，主軸在冷態(tài)和熱態(tài)情況下的圓度誤差區(qū)別不大。

關(guān)鍵詞：主軸轉(zhuǎn)速；動(dòng)態(tài)誤差；異步誤差；同步誤差

文章編號(hào)：1001-2265(2015)09-0060-03

收稿日期：2014-09-26；修回日期：2015-01-22

基金項(xiàng)目：*科技重大專項(xiàng)資助(2012ZX04011021)

作者簡介：許穎(1980—)，女，吉林東豐人，長春理工大學(xué)講師，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)、工程機(jī)械智能控制、微摩擦磨損及測量，(E-mail)xuying_cust@126.com。

中圖分類號(hào)：TH132;TG506

Influence Test of Rotating Speed and Temperature Rise to Dynamic Errors

XU Ying1, LIU Kuo2

(1. College of Mechanical and Electric Engineering,Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022,China;2. State Key Laboratory,Shenyang Machine Tool(Group) Co.,Ltd.,Shenyang 110142,China)

Abstract：The importance of spindle′s dynamic errors test, the type of spindle's dynamic errors and its influence to machining are analyzed. Spindle's dynamic errors, including radial synchronization error and asynchronous, axial synchronization error and asynchronous, spindle minimum radial spacing, are tested on a vertical machining center and the test results are presented. The test includes two parts: warming-up dynamic errors and cooling down dynamic errors. The results are analyzed including the influence of rotating speed and temperature rise to dynamic errors. Finally, cutting experiment is done on the machining center using end milling cutter. The experiment result shows that the roundness errors of warming-up static and cooling down static difference little.

Key words： spindlerotational speed; dynamic error; asynchronous error; synchronization error

0引言

主軸是數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其精度直接影響機(jī)床的加工精度。如果主軸存在誤差，就會(huì)影響到機(jī)床的工作性能和壽命、工件圓度、表面粗糙度和平面度等，同時(shí)回轉(zhuǎn)誤差將導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲，這對精密機(jī)床來說是不允許的。目前對主軸誤差常用的測試方法是采用千分表進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)測試，而主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的動(dòng)態(tài)誤差數(shù)據(jù)見報(bào)的很少。通過測試主軸的動(dòng)態(tài)誤差可以預(yù)測機(jī)床在加工中所能達(dá)到的圓度和表面粗糙度等，因此主軸的動(dòng)態(tài)誤差測試非常重要。

國內(nèi)外很多學(xué)者對主軸的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了深入研究。蘇文宇[1]分析了主軸回轉(zhuǎn)誤差的評價(jià)方法，開發(fā)了主軸誤差的試驗(yàn)平臺(tái)并對回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了測試。王建敏等[2]建立了單圈非重復(fù)性主軸回轉(zhuǎn)精度評價(jià)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對主軸回轉(zhuǎn)誤差的最小區(qū)域法評價(jià)、最小外切圓法評價(jià)和最大內(nèi)切圓法評價(jià)。毛劍峰等[3]提出了一種基于球標(biāo)法的主軸誤差分離方法，并將球標(biāo)法和反向法進(jìn)行了對比。陸慧慧等[4]采用LMS公司的多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成了主軸回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)測試。高慧中等[5]提出了基于遺傳算法的主軸回轉(zhuǎn)誤差評價(jià)方法，建立了基于遺傳算法的最小包絡(luò)圓法誤差計(jì)算模型。

從以上分析可以看出，目前對主軸回轉(zhuǎn)誤差的測試方法和評價(jià)方法的研究比較多，但是對機(jī)床主軸動(dòng)態(tài)誤差的詳細(xì)測試與分析的文獻(xiàn)少。另外，也沒有主軸動(dòng)態(tài)誤差對加工圓度的試驗(yàn)研究。因此，在本文中，將重點(diǎn)針對一臺(tái)立式加工中心的主軸進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差的詳細(xì)測試，分析轉(zhuǎn)速和溫度對主軸誤差的影響，并進(jìn)一步進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1主軸動(dòng)態(tài)誤差測試

常用的主軸回轉(zhuǎn)誤差測試方法為千分表測試法，即通過手盤的方式使主軸低速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)讀取并記錄千分表的度數(shù)。這種方法只能測試主軸在非常低轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)誤差，并且無法分離出異步誤差和同步誤差。

在本文中，采用主軸動(dòng)態(tài)誤差分析儀對某立式加工中心的主軸動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行測試，主軸最高測試轉(zhuǎn)速為8000r/min。測試系統(tǒng)包括電容式傳感器、傳感器安裝架、信號(hào)采集器、數(shù)據(jù)采集及分析軟件等。動(dòng)態(tài)誤差的采樣速率為256000/s，可以滿足高轉(zhuǎn)速的動(dòng)態(tài)誤差采集。

主軸動(dòng)態(tài)誤差是一種綜合誤差，它包括徑向同步誤差和異步誤差。同步誤差影響機(jī)床加工零件的圓度，異步誤差影響加工零件的表面粗糙度[6]。主軸動(dòng)態(tài)誤差的測試圖見圖1。

圖1　主軸動(dòng)態(tài)誤差測試圖

在機(jī)床上編寫G代碼，使主軸分別在300r/min、500r/min、750r/min、1000r/min、1500r/min、2000r/min、2500r/min、3000r/min、3500r/min、4000r/min、4500r/min、5000r/min、5500r/min、6000r/min轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，同時(shí)測試主軸動(dòng)態(tài)誤差。

在加工中心剛開機(jī)后(冷態(tài))對主軸的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行測試。由于動(dòng)態(tài)誤差的測試具有一定的隨機(jī)性，因此測試三次后取平均值[7]。主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差的平均值如表1所示。

讓主軸在4000rpm時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)4小時(shí)進(jìn)行熱機(jī)，然后進(jìn)行動(dòng)態(tài)誤差測試。取三次測試的平均值，數(shù)據(jù)如表2所示。

基于表1和表2中的測試數(shù)據(jù)，圖2~圖4分別給出了冷態(tài)和熱態(tài)時(shí)的徑向誤差、軸向誤差和最小徑向間隙對比。

表1　主軸動(dòng)態(tài)誤差平均值(冷態(tài))

表2　主軸動(dòng)態(tài)誤差平均值(熱態(tài))

圖2　冷態(tài)和熱態(tài)的徑向誤差對比

圖3　冷態(tài)和熱態(tài)的軸向誤差對比

圖4　冷態(tài)和熱態(tài)的最小徑向間隙對比

從圖2可以看出，該加工中心的主軸徑向誤差隨轉(zhuǎn)速的變化不大。熱態(tài)時(shí)的徑向異步和同步誤差比冷態(tài)時(shí)的徑向異步和同步誤差小，這可能是由于旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)引起的熱膨脹使得主軸接觸更緊密造成的。

從圖3可以看出，除冷態(tài)時(shí)的軸向異步誤差之外，該加工中心的主軸軸向誤差隨轉(zhuǎn)速的變化不大。另外，與徑向誤差的結(jié)果類似，熱態(tài)時(shí)的軸向異步和同步誤差比冷態(tài)時(shí)的徑向異步和同步誤差小，尤其是同步誤差的區(qū)別非常明顯，這也是由于旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)轉(zhuǎn)引起的熱膨脹使得主軸接觸更緊密造成的。

從圖4可以看出，主軸熱態(tài)的最小徑向間距比冷態(tài)的最小徑向間距大。表3給出了造成以上誤差的原因。

表3　誤差原因分析

2切削試驗(yàn)

由于測試得到的主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差在冷態(tài)和熱態(tài)下相差并不是太大，因此本節(jié)進(jìn)一步通過切削試驗(yàn)驗(yàn)證，冷態(tài)和熱態(tài)下切削時(shí)工件的圓度和表面粗糙度是否有區(qū)別。

采用φ5的立銑刀對鋁料銑圓槽，如圖5所示，進(jìn)給速度為400mm/min，主軸轉(zhuǎn)速為2000r/min。為了加工的方便，取加工半徑為：7，16.5，19.5，29，32，41，44.5，53.5，57，66.5mm。

圖5　立銑刀銑圓槽圖

由于無法檢測表面粗糙度，因此只檢測加工的圓度，以分析冷態(tài)和熱態(tài)下主軸徑向同步誤差的區(qū)別。在三坐標(biāo)測量機(jī)上對工件各個(gè)圓的圓度檢測，結(jié)果如圖6所示。

圖6　圓度檢測結(jié)果

從圖6可以看出，冷態(tài)下和熱態(tài)下切削的圓度基本沒有很明顯的差別。并且，加工圓度的數(shù)量級(jí)與測試的徑向誤差在一個(gè)數(shù)量級(jí)上，并且加工圓度比測試徑向誤差高1~3倍。

3結(jié)束語

本文對加工中心主軸動(dòng)態(tài)誤差的具體類型及其對加工的影響進(jìn)行了分析。采用動(dòng)態(tài)誤差測試儀對立式加工中心的徑向同步誤差和異步誤差、軸向同步誤差和異步誤差以及主軸最小徑向間距進(jìn)行了三次測試，給出了詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)。在測試結(jié)果的基礎(chǔ)上，對主軸各項(xiàng)動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了分析。最后，進(jìn)一步通過切削試驗(yàn)驗(yàn)證了分析結(jié)果。該測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果對主軸動(dòng)態(tài)誤差的分析及其對加工的影響具有非常重要的參考意義。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 蘇文宇. 主軸回轉(zhuǎn)精度測試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改造及其誤差分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2010.

[2] 王建敏，戴一帆，李圣怡. 單圈非重復(fù)性主軸回轉(zhuǎn)精度評價(jià)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007,43(2): 191-195.

[3] 毛劍峰，鄒鯤，周勤之. 基于球標(biāo)法的高精度主軸回轉(zhuǎn)誤差測量[J]. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013(12):108-111.

[4] 陸慧慧，黃筱調(diào)，張金. 高速銑齒機(jī)刀具主軸回轉(zhuǎn)誤差動(dòng)態(tài)測試[J]. 機(jī)床與液壓，2012,40(13): 16-18.

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[6] LIU Kuo, LIU Chunshi, TAN Zhi, et al. Test and Analysis of Machine Center’s Principal Spindle Dynamic Errors[J]. Applied Mechanics and Materials, 2013, 364: 163-166.

[7] 劉闊，王冠明，馬曉波. 立式加工中心主軸動(dòng)態(tài)誤差的測試及研究[J]. 制造技術(shù)與機(jī)床，2013(1): 155-160.

(編輯李秀敏)