數(shù)控機床主軸溫度控制及熱變形測試與研究*＊

史安娜 曹富榮 劉斯妤 馬曉波

(①沈陽理工大學機械工程學院，遼寧沈陽110159;②沈陽機床(集團)有限責任公司，遼寧沈陽110142)

隨著我國制造水平的不斷發(fā)展，現(xiàn)代制造業(yè)對數(shù)控機床加工精度有越來越高的要求［1］。影響機床加工精度的誤差分為熱誤差、幾何誤差以及切削力造成的誤差，其中熱誤差對數(shù)控機床加工精度的影響很大，熱誤差占機床總加工誤差的比例達到70%［2－4］，而主軸的熱變形誤差是造成數(shù)控機床熱變形總誤差的重要因素［5］。因此，對數(shù)控機床主軸的熱特性進行分析與研究，對數(shù)控機床加工精度的提高顯得很重要。

在主軸系統(tǒng)熱特性研究方面，近年來國內外學者進行了相關研究，并取得了一定的成果。Eneko將參數(shù)狀態(tài)方程作為框架，以關鍵點溫度、主軸轉速為輸入?yún)?shù)，將主軸在各個方向的變形量作為輸出參數(shù)，對機床的熱態(tài)特性進行了綜合考慮［6］。Tiago Cousseaua等人對高精度數(shù)控車床進行了研究，建立了主軸軸向、徑向誤差的補償模型，解決了由主軸系統(tǒng)熱變形引起的數(shù)控車床加工精確性、加工精度下降的棘手問題［7］。李程啟等人對高速電主軸系統(tǒng)的熱態(tài)特性進行了研究，總結出可以通過誤差補償與軟件控制的方法減少熱變形［8］。李中華等人對某一型號機床主軸的熱變形進行了研究，對仿真結果進行了優(yōu)化，使得仿真結果與優(yōu)化后的結果之間的誤差率維持在了5%以內［9］。

本文以GMB2560龍門銑鏜床主軸為研究對象，建立了一套實驗測量系統(tǒng)，應用紅外測溫方法獲取數(shù)控機床主軸箱的溫度場分布信息，利用激光測距技術測得機床運行時主軸X、Y、Z方向的熱變形。研究為后續(xù)進行數(shù)控機床優(yōu)化設計，以及提高機床加工水平提供了有效的數(shù)據(jù)支撐。

1 數(shù)控機床熱變形機理

數(shù)控機床在加工過程中，影響其加工精度的主要熱源有內熱源和外熱源［10］，兩者的主要組成形式如圖1所示。內部熱源會生成一定的發(fā)熱量，并通過零部件之間的傳導、與周圍空氣的對流散熱等相關的方式傳遞熱量，從而在數(shù)控機床內部產生非均勻的溫度場，導致零部件形成不同程度的熱變形誤差，并且容易產生振動，不僅使得加工表面質量、加工精度降低，還會使得軸承與傳動部件由于不能夠均勻受力而惡化工作條件。作為數(shù)控機床最重要的部件之一，主軸的熱變形誤差對數(shù)控機床的加工精度有很大程度的影響。

2 實驗設計

2.1 實驗設備介紹

在主軸運轉期間，運用FLIR紅外熱像儀對主軸定期拍照，記錄主軸在整個運轉過程中主軸箱上關注點的溫升。FLIR紅外熱像儀的技術參數(shù)如表1所示。

表1 FLIR紅外熱像儀的部分參數(shù)

對安裝在主軸上的檢棒由5個激光測量儀進行測量，測得檢棒上的點分別對于X、Y、Z這3個方向的位移變化值，并對5個測量儀的讀數(shù)進行記錄。激光三角測量儀的技術參數(shù)如表2所示。

表2 激光三角測量儀的部分參數(shù)

2.2 實驗工況

實驗不考慮切屑與切削運動的影響，主要在空切削狀態(tài)下進行。機床在冷態(tài)下開始實驗，室溫22～25℃，為了保證機床測試初始條件良好，滿足實驗前12 h之內機床沒有工作，實驗時不準中途停車，保證能夠得到良好的實驗數(shù)據(jù)。主軸連續(xù)運轉4 h，采用4 000 r/min的轉速進行溫升及熱變形測試，使得機床高速運行時絕對安全。

運用FLIR紅外熱像儀進行測量時，由于紅外熱像儀對被測物體表面的反射率較敏感，因此，為了保證表面反射率降低，同時使得表面反射率具有一致性，需要在關鍵點處貼上膠布。溫度測試系統(tǒng)連接如圖2所示。

采用IF2004數(shù)據(jù)采集卡與米銥公司出產的激光三角測量儀對主軸熱變形進行測試，測試系統(tǒng)由5個控制器、5個激光三角反射式位移傳感器(其中主軸軸向1個，其它兩個方向各2個，分別測量 X、Y、Z方向)、1個電源模塊以及2個智能數(shù)據(jù)采集卡組成。

機床主軸需安裝45 mm×300 mm規(guī)格的檢棒進行測試，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)每隔1 s采集一次數(shù)據(jù)。檢棒與機床主軸連接后的裝配精度以及檢棒本身的精度，對機床主軸熱變形實驗數(shù)據(jù)有一定程度的影響。檢棒隨主軸運轉的跳動(端跳、徑向跳動)越小，測試精度越高;反之測試結果的精度降低。主軸熱變形測量裝置如圖3所示，連接架固定在機床工作臺上檢棒裝在主軸上隨主軸一起旋轉，激光三角測量儀采集記錄主軸檢棒在相對方向上的位移變化值。

3 實驗測量

3.1 主軸溫度場

由于紅外熱像儀采集數(shù)據(jù)范圍大致在1 m見方的范圍內，所以進行了兩次溫度場測試，第一次采集主軸箱的下端，第二次采集偏上位置，如圖4所示。從圖中可看出，實驗時的室溫為22℃，主軸箱上部溫度較高，下部溫度相對較低，主軸箱的溫度場呈上高下低的趨勢。

圖5所示為兩次測試過程中主軸箱體上主要關鍵點的溫升曲線圖，主要對SP02、SP06、SP08這3個關鍵點的溫度進行測量。從圖5a中曲線的走勢看，各測點溫升趨勢較為明顯，在開始的2個小時里主軸系統(tǒng)的溫度上升較快，接下來的1個小時的時間里溫升較緩和，然后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。SP02點的溫度從23.6℃開始，經(jīng)過2個小時急劇上升到28.8℃，再經(jīng)過1個小時緩慢增加到29.7℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài);SP06點的溫度從23.3℃開始，經(jīng)過2個小時急劇上升到28.1℃，再經(jīng)過1個小時緩慢增加到29.3℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài);SP08點的溫度從23.1℃開始，經(jīng)過2個小時急劇上升到28.0℃，再經(jīng)過1個小時緩慢增加到29.0℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖5b曲線可知，SP02點的溫度從25.5℃開始，經(jīng)過2個小時急劇上升到31.5℃，再經(jīng)過1個小時緩慢增加到33.1℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài);SP06點的溫度從25.4℃開始，隨著機床的運行，經(jīng)過3個小時上升到30.8℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài);SP08點的溫度從24.8℃開始，隨著機床的運行，經(jīng)過3個小時上升到30.5℃后趨于穩(wěn)定狀態(tài)。

由兩次溫度場測試結果得知，在機床連續(xù)運行4小時期間，主軸箱上部溫升較快，在主軸運轉3小時左右時，主軸箱達到熱平衡狀態(tài)，與中小機床一般4小時的平均熱平衡時間相比，被測機床更快達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，機床的熱態(tài)性能優(yōu)異。主軸箱達到熱平衡后，主軸箱上有一由上至下遞減的溫度場，溫差大概在3℃左右，主要集中在主軸箱中上部位置。

3.2 主軸熱變形

主軸在不同方向的熱變形隨時間變化曲線如圖6所示，其中帶寬表示機床主軸的跳動量。由圖6a可知，機床在整個運行過程中，在主軸運轉的前1.5小時之內，主軸在X軸方向的變形一直向X軸負方向增加，在1.5小時以后，主軸在X方向的熱變形開始回復，大約在3.5小時以后基本趨于穩(wěn)定狀態(tài)，主軸在X方向最大熱變形大約為0.06 mm。由圖6b可知，在主軸運轉初期，機床在Y軸方向的變形一直向Y軸負方向增加，在主軸箱達到熱平衡狀態(tài)以后，機床在Y軸方向的熱變形保持恒定，主軸在Y方向的最大熱變形大約為0.012 mm。由圖6c可知，在主軸運轉初期，機床在Z軸方向的變形一直向同一方向增加，在主軸箱達到熱平衡狀態(tài)以后，機床在Z軸方向的熱變形也保持不變，主軸最大伸長為0.106 mm。

根據(jù)測試結果，在主軸以4 000 r/min的轉速連續(xù)運轉4小時的過程中，主軸在X、Y方向的熱變形較小，在Z方向的熱伸長相對較大，并且變化率較快，應給與足夠的重視。在3小時左右主軸系統(tǒng)達到熱平衡狀態(tài)。

4 結語

(1)應用紅外熱成像技術與激光測距技術可方便測量機床運行時的主軸溫度場、溫升和熱變形狀況，并且建立兩者之間的聯(lián)系。

(2)被測機床運行3小時左右時即可達到熱平衡狀態(tài)，與中小機床一般4小時的平均熱平衡時間相比，被測機床更快達到熱穩(wěn)定狀態(tài)，機床的熱態(tài)性能優(yōu)異。

(3)主軸X、Y方向的最大變形量分別為0.06 mm、0.012 mm，Z方向的伸長量為0.106 mm。機床主軸的軸向伸長量較徑向變形量更大，提高主軸的軸向熱態(tài)精度是提高該機床工作精度的主要目標。