鉆攻機(jī)主軸溫升對加工精度的影響及對策

（沈陽機(jī)床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142）

0 引言

鉆攻機(jī)不但可以進(jìn)行高速鉆孔、攻絲和銑削加工，還可以進(jìn)行連續(xù)的平滑曲線加工，具有高速、高精度和高效率的特點(diǎn)。目前，國內(nèi)外鉆攻機(jī)主軸轉(zhuǎn)速普遍較高，主軸軸芯的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，使得主軸溫升過高，而這一直是鉆攻機(jī)制造廠商的頑疾。只有控制好鉆攻機(jī)主軸溫升，才能夠保證機(jī)臺的尺寸精度和外觀精度。

在主軸溫升解決方案中，目前采用的方法主要有加裝Z 軸光柵尺，系統(tǒng)自適熱補(bǔ)償?shù)却胧﹣肀ＷC機(jī)臺加工精度，以上均為主軸溫升的后續(xù)的補(bǔ)救措施，并沒在源頭上解決由于主軸發(fā)熱而引起的加工誤差。

1 溫升原因分析

主軸溫升的主要因素有軸承高速轉(zhuǎn)動，換刀時(shí)對彈簧的反復(fù)壓縮，以及切削熱傳導(dǎo)至主軸，以下對影響主軸溫升的3 種主要因素進(jìn)行研究。

1.1 軸承傳動

目前市面鉆攻機(jī)主軸軸承多為2 組角接觸陶瓷軸承，背對背排列布置。軸承中各個(gè)元件生熱及其熱傳遞是滾動軸承使用性能及壽命的重要影響因素。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，陶瓷軸承元件間相互摩擦是軸承溫度變化的主要熱量來源，要計(jì)算陶瓷軸承的傳熱機(jī)制，需要獲取陶瓷軸承各個(gè)元件的發(fā)熱情況。

1.1.1 滾珠與外圈滑動摩擦生熱

主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承外圈靜止不動，陶瓷滾珠與外圈存在相對滑動和滾動的復(fù)合運(yùn)動，而熱量的產(chǎn)生，主要來自相對滑動，其產(chǎn)生熱量為Q1：

式中：τq—滾動與外圈之間的切應(yīng)力。vq—滾動體相對于外圈的滑動速度。T0—軸承運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間。dt—時(shí)間的微段。

1.1.2 滾動體與內(nèi)滾道摩擦生熱

軸承滾動體繞軸心高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，滾動體本身做自轉(zhuǎn)，并與內(nèi)滾道摩擦產(chǎn)生熱量，其產(chǎn)生熱量為Q2：

式中：Mq—滾動體摩擦力矩。ωq—滾動體轉(zhuǎn)動的角速度。t—轉(zhuǎn)動時(shí)間。

1.1.3 滾動體與潤滑脂拖動生熱

軸承滾動體在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，與潤滑脂產(chǎn)生相對拖動，其產(chǎn)生熱量為Q3：

式中：dq—滾動體直徑?！獫L動體摩擦力平均值。ωq—潤滑油轉(zhuǎn)動角速度。ωp—滾動體繞周向角速度。

1.1.4 其他發(fā)熱

軸承在高速轉(zhuǎn)動過程中，保持架與滾動體和潤滑脂之間均有摩擦生熱，其發(fā)熱量為Q4：

式中：q1—滾動體與保持架之間摩擦生熱。q2—潤滑脂與保持架摩擦生熱。

以上為主軸陶瓷軸承發(fā)熱的4 種主要形式[1]，其總發(fā)熱量為：式中：Qa—軸承運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的發(fā)熱量。Qi—引起軸承發(fā)熱的各個(gè)因素。

軸承的熱量傳遞可分為3 種基本類型：對流、傳導(dǎo)和輻射，通過以上3 種形式向外傳遞，導(dǎo)致主軸整體溫度升高。

1.2 頻繁換刀

鉆攻機(jī)優(yōu)勢在于其鉆孔及剛性攻絲的速度，而換刀速度是鉆攻機(jī)的基本屬性，初步統(tǒng)計(jì)深圳某公司某項(xiàng)目四序在2 h 內(nèi)換刀次數(shù)，見表1。

表1 某項(xiàng)目2H 換刀次數(shù)

理想的彈簧壓縮只會發(fā)生彈性變形，動能會完全轉(zhuǎn)化為彈簧彈性勢能，該壓縮過程是不會發(fā)熱的。但在實(shí)際彈簧在壓縮過程中，除彈性變形外，同樣有小幅的塑性形變，動能一部分通過彈性形變轉(zhuǎn)化為彈性勢能，另一部分通過塑性形變轉(zhuǎn)化為其內(nèi)能發(fā)熱，其熱量為Qb：

式中：Qb—彈簧壓縮導(dǎo)致的發(fā)熱量。n—換刀次數(shù)。q—一次換刀彈簧塑性形變產(chǎn)生的熱量。

1.3 切削熱

鉆攻機(jī)進(jìn)行金屬切削時(shí)，其他條件不變的情況下，越高的切削速度（S）會產(chǎn)生越多的熱量；更高的速度進(jìn)給量（F）會加大切削刃中受高溫所影響的區(qū)域。通常情況下，在以高速銑削加工為主的斷續(xù)切削工況中，刀具的切削刃槽型、切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量的選擇對熱量的產(chǎn)生、吸收和控制都有不同程度的影響。

1.3.1 切削刃槽型

選擇適當(dāng)?shù)你姷侗倔w的幾何角度、切削刃開槽形狀、刃數(shù)及是否涂層，有助于控制熱量產(chǎn)生。標(biāo)準(zhǔn)銑刀分為二刃，三刃，四刃及六刃，刃數(shù)越多，刀具強(qiáng)度越高，但越不利于排屑及排熱。通常情況下，加工鋁合金，鎂合金，壓鑄鋁，選擇非涂層合金刀具；加工鐵、鋼、銅等產(chǎn)品，選擇涂層合金刀具。非涂層刀具強(qiáng)度低于涂層刀具，但非涂層刀具較涂層刀具更鋒利，同時(shí)更利于熱量排出。

1.3.2 切削用量的選擇

切削用量包括切削速度、進(jìn)給量、背吃刀量。增加切削用量通常會產(chǎn)生更多的切削熱量，減少了加工時(shí)間并提高生產(chǎn)率，但降低了刀具的使用壽命及工件的加工精度。此時(shí)，降低切削用量可將溫度降至可接受的水平。加工中，要選擇合適的切削用量。

通常，整個(gè)加工系統(tǒng)會吸收金屬切削過程中所產(chǎn)生的熱量，85% 進(jìn)入切屑及切削液，約8%進(jìn)入工件，5 % 進(jìn)入刀具，2%散入空氣，其中進(jìn)入刀具的熱量20%傳入主軸錐孔，再通過熱傳遞向內(nèi)部傳遞，其熱量為Qc。

綜上，鉆攻機(jī)在加工中，使主軸產(chǎn)生溫升的熱量為Q：

式中：C—主軸比熱容。M—主軸質(zhì)量。ΔT—主軸溫升。

2 溫升的影響

2.1 加工精度

作為3C 行業(yè)首選的鉆攻機(jī)是一款集速度和精度于一體的高精度加工設(shè)備，主軸是鉆攻機(jī)上提供加工主動力的核心部件。研究表明，主軸熱誤差占機(jī)床總誤差比例最大可以達(dá)70%[2]。其中，主軸熱伸長表現(xiàn)尤為突出，該誤差沿主軸軸線方向，鉆攻機(jī)為Z 向，亦為加工誤差敏感方向。主軸的精度對于整臺機(jī)床精度有著十分重要的影響。該文對主軸熱伸長進(jìn)行了測試，數(shù)據(jù)如圖1 所示。

根據(jù)以上數(shù)值可以看出，當(dāng)溫度在室溫到95℃之間變化時(shí)，主軸熱伸長數(shù)值波動為0.024 mm，并且當(dāng)溫度在45℃~75℃之間變化最為明顯。鉆攻機(jī)在加工過程中，主軸熱伸長影響其Z 值變化，隨著加工時(shí)間的增加，熱伸長數(shù)值越大，越影響加工零件的加工精度。

3.2 主軸軸承的使用壽命

軸承的壽命與載荷間的關(guān)系可表示為[3]：式中：L10—基本額定壽命。ft—溫度系數(shù)，數(shù)值選取見表2。C—基本額定動載荷。P—當(dāng)量動載荷。ε—壽命系數(shù)。

表2 溫度系數(shù)表

可以看出，軸承的使用壽命隨著溫度的升高而降低，且溫度越高，降低的梯度越大。

3.3 刀庫使用壽命

市面現(xiàn)有鉆攻機(jī)，多為轉(zhuǎn)塔式結(jié)構(gòu)，該刀庫具有換刀速度快，響應(yīng)迅速等特點(diǎn)，但相對機(jī)械手刀庫，刀夾相對薄弱。目前鉆攻機(jī)最高轉(zhuǎn)速多為20 000 rpm，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中，需要3 000 N的拉力。根據(jù)分子運(yùn)動論，分子在永不停息的做無規(guī)則運(yùn)動，且溫度越高，分子熱運(yùn)動越劇烈，更容易使刀柄與主軸錐孔產(chǎn)生粘連，在持續(xù)“高速轉(zhuǎn)動-粘連-換刀-高速轉(zhuǎn)動-粘連-換刀”的過程中，刀夾在較大的交變應(yīng)力作用下，易使得刀夾根部產(chǎn)生疲勞破壞，從而影響刀庫的使用壽命。

4 降低主軸溫升的措施

4.1 選取適中的加工參數(shù)

切削用量是影響主軸受到軸向及徑向力的主要來源，在加工過程中需要選擇合理的切削用量才能夠充分利用刀具的切削性能及機(jī)床性能。不同的加工性質(zhì)，對切削加工制訂不同切削用量，就是要在已選擇好刀具和加工材料的基礎(chǔ)上，確定合理的切削深度ap、進(jìn)給量f 及切削速度vc。

粗加工時(shí)，需盡量保證較高的金屬去除率及必要的刀具耐用度，所以一般優(yōu)先選用盡可能大的切削深度ap，其次選擇較大的進(jìn)給量f，再根據(jù)刀具耐用度要求，確定合適的切削速度vc。半精加工和精加工的加工余量一般較小，可一次切除，但有時(shí)為了保證工件的加工精度和表面質(zhì)量，也可采用二次銑削。多次銑削時(shí)，應(yīng)盡量將第一次走刀的切削深度取大些，一般為總加工余量的2/3~3/4。鉆攻機(jī)精加工余量多為0.03~0.08，并通過一次銑削完成工件加工，高轉(zhuǎn)數(shù)vc，大進(jìn)給f，小切削量ap，以保證加工出高品質(zhì)的產(chǎn)品[4]。

圖1 主軸溫升-熱伸長統(tǒng)計(jì)圖

只有選擇合理的切削用量，才能將機(jī)臺性能發(fā)揮到極致，同時(shí)保證不至因主軸軸承受力過大，而導(dǎo)致的主軸溫度升高過高，從而影響機(jī)臺的加工精度。

4.2 優(yōu)化主軸軸承的安裝方式

采用合理的安裝調(diào)試方式，適合的安裝工具，以及無塵的車間環(huán)境，是軸承獲得較高速度、較低溫升較、較高精度的必要條件。優(yōu)化主軸軸承的安裝方式對提高主軸的使用壽命至關(guān)重要，假設(shè)主軸材質(zhì)為各項(xiàng)同性材料，優(yōu)化安裝方式能夠保證主軸軸承徑向及軸向受力的均勻性，如采用熱裝法，均勻施壓安裝法等安裝方式。陶瓷軸承的精度為6 級，即與主軸軸承裝配的內(nèi)軸心與外軸心分別選取6 級的加工精度，以保證后續(xù)的動平衡達(dá)到G0.4 等級。鉆攻機(jī)主軸軸承采用過盈配合安裝，當(dāng)主軸直徑d ≥80mm 時(shí)，采用熱力安裝法，將其加熱至80℃后進(jìn)行安裝。鉆攻機(jī)主軸采用軸承預(yù)加載荷的方法，可以提高軸承的剛度，但預(yù)加載和要適度，否則軸承克服摩擦所作的功會轉(zhuǎn)化為熱量，這樣反而導(dǎo)致主軸過高的溫升，從而造成軸承系統(tǒng)的損壞[5]。

4.3 加裝主軸油冷機(jī)

主軸是鉆攻機(jī)中重要的組成部分，由于鉆攻機(jī)主軸轉(zhuǎn)速很高，常規(guī)鉆攻機(jī)主軸轉(zhuǎn)數(shù)為20 000 rpm，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生大量的熱，引起主軸溫升，從而影響主軸的正常工作。油冷機(jī)在油泵作用下，將冷卻油強(qiáng)制的在主軸外圈與主軸箱之間進(jìn)行流動。根據(jù)熱力學(xué)第二定律，存在溫差的地方必定有熱量的轉(zhuǎn)移，并且溫度總是從高溫物體向體溫物體傳遞。加裝油冷機(jī)后，主軸將熱量傳遞給循環(huán)的冷卻油，之后冷卻油再進(jìn)入油冷機(jī)，在壓縮泵作用下進(jìn)行冷卻，從而進(jìn)行循環(huán)使用。

5 結(jié)語

在高速鉆攻機(jī)作業(yè)過程中，隨著作業(yè)時(shí)間的加長以及轉(zhuǎn)速的升高，主軸溫升愈加明顯，不但影響鉆攻機(jī)使用壽命，而且會影響產(chǎn)品尺寸精度及表面粗糙度。該文介紹了影響鉆攻機(jī)主軸溫升的3 個(gè)主要因素，以及防止主軸過度溫升的3 種措施，為高速鉆攻機(jī)主軸溫度變化研究及其應(yīng)用提供參考。