臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差問題分析

摘 要：作為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵部件之一，主軸的熱誤差控制對(duì)于保證機(jī)床的加工精度具有重要作用。本文首先介紹了臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差的測(cè)量及數(shù)據(jù)分析，然后具體探討了主軸熱誤差的控制措施，以期為相關(guān)技術(shù)與研究人員提供參考。

關(guān)鍵詞：數(shù)控加工；中心主軸；熱誤差

熱性能是精密臥式數(shù)控加工中心工作穩(wěn)定性和可靠性的重要影響因素，而主軸是臥式數(shù)控機(jī)床加工精度控制的主要部位。這是因?yàn)閮?nèi)部軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)形成大量熱而造成主軸容易出現(xiàn)變形，進(jìn)而降低加工精度。當(dāng)前，隨著精密制造技術(shù)及自動(dòng)化技術(shù)的大量應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床也逐漸朝向精密化、高速度、智能化、高精度方向發(fā)展。而機(jī)床熱變形引發(fā)的誤差已成為精密機(jī)床的主要誤差源之一。因此，加強(qiáng)有關(guān)臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差問題的研究，對(duì)于改善數(shù)控機(jī)床加工精度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差測(cè)量與數(shù)據(jù)分析

1.1 主軸熱誤差測(cè)量方法

依據(jù)主軸熱誤差綜合特征描述矩陣，可構(gòu)建由多通道數(shù)據(jù)采集模塊、溫度傳感器、位移傳感器、熱成像儀和測(cè)量數(shù)據(jù)同步顯示模塊組成的熱誤差測(cè)量系統(tǒng)。實(shí)際檢測(cè)中，可選用接觸與非接觸組合方法對(duì)加工中心主軸溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。先使用紅外熱成像儀采用非接觸方法測(cè)量主軸，同時(shí)使用PT100鉑溫度傳感器采用接觸式方法測(cè)量主軸溫度場(chǎng)。試驗(yàn)選用五點(diǎn)法對(duì)主軸熱誤差進(jìn)行檢測(cè)，五點(diǎn)法就是在X和Y方向分開布設(shè)兩個(gè)位移傳感器對(duì)各自方向上的熱傾斜和熱漂移進(jìn)行測(cè)量，另外在Z方向上布設(shè)一個(gè)位移傳感器對(duì)軸向伸長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。

測(cè)試過程中，主軸應(yīng)依照設(shè)定速度進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，利用數(shù)據(jù)采集軟件的監(jiān)控模塊對(duì)熱變形及溫度場(chǎng)狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[1]。

1.2 主軸有效測(cè)溫點(diǎn)設(shè)定

數(shù)控機(jī)床溫度場(chǎng)不同部位的溫升會(huì)對(duì)機(jī)床熱變形產(chǎn)生不同程度的影響，而通常會(huì)存在一些其溫升變化會(huì)明顯影響機(jī)床熱誤差的點(diǎn)，此類點(diǎn)稱為熱誤差敏感點(diǎn)。測(cè)溫點(diǎn)設(shè)定時(shí)，可采用相關(guān)系數(shù)法，整體考慮Z熱伸長(zhǎng)及Y向熱漂移，由各測(cè)溫點(diǎn)類別中挑選出對(duì)熱位移影響最明顯的主要測(cè)溫點(diǎn)作為此類別的代表點(diǎn)，并將其用于隨后的熱誤差補(bǔ)償建模。

1.3 主軸熱誤差數(shù)據(jù)分析

在高低轉(zhuǎn)速切換與階梯轉(zhuǎn)速切換兩類試驗(yàn)工作條件下，即使溫度測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)綜合走向存在差異，但其隨主軸轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)確實(shí)類似的：在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)間增加、轉(zhuǎn)速增加的時(shí)候，溫度會(huì)同時(shí)升高；而在主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)間減少、轉(zhuǎn)速降低時(shí)，溫度會(huì)同時(shí)下降；且在某一轉(zhuǎn)速條件下，溫升會(huì)達(dá)到某一極限值，在該值狀態(tài)下，其隨主軸旋轉(zhuǎn)保持均衡溫度場(chǎng)狀態(tài)。

試驗(yàn)過程中同時(shí)測(cè)試了速度切換所引發(fā)的主軸熱變形。在主軸溫度場(chǎng)保持恒定后的一段時(shí)間內(nèi)，主軸變形將進(jìn)入高限值，切換至下一轉(zhuǎn)速，以采集特定轉(zhuǎn)速下的最大熱變形和最高溫升。根據(jù)階梯轉(zhuǎn)速切換試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同類試驗(yàn)工作條件下，熱誤差具有一致的變化趨勢(shì)，數(shù)據(jù)可重復(fù)，表明加工中心主軸具有穩(wěn)定的熱特性規(guī)律。

2 臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差控制措施

2.1 控制溫升

熱源是引發(fā)機(jī)床熱變形的關(guān)鍵因素，調(diào)整熱源以降低主軸溫升，或采用平衡溫度場(chǎng)的方法減少變形，是確保機(jī)床熱態(tài)精度良好的重要舉措。具體操作時(shí)，可使用恒溫冷卻機(jī)對(duì)將流經(jīng)主軸箱或主軸軸承的潤(rùn)滑油進(jìn)行冷卻處理，以降低主軸軸承的溫升；或采用水內(nèi)冷卻或空氣循環(huán)冷卻的方法，在主軸軸承外環(huán)或主軸箱內(nèi)設(shè)置換熱冷卻環(huán)套，使冷卻介質(zhì)循環(huán)進(jìn)入冷卻套內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)冷卻主軸部件的功能[2]。

2.2 機(jī)床改造

對(duì)機(jī)床進(jìn)行設(shè)計(jì)改造，以盡可能降低機(jī)床對(duì)溫度的敏感性，優(yōu)化設(shè)計(jì)熱態(tài)結(jié)構(gòu)，是改善數(shù)控機(jī)床加工精密型的重要措施。熱態(tài)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是指在某熱源條件下，以參數(shù)優(yōu)化和形狀優(yōu)化為著力點(diǎn)，找尋科學(xué)有效的剛度分布和溫度分布，對(duì)機(jī)床機(jī)構(gòu)的熱位移進(jìn)行控制，確保運(yùn)轉(zhuǎn)精度。在設(shè)計(jì)主軸時(shí)，應(yīng)綜合考慮潤(rùn)滑油路布設(shè)、尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)類型、熱源設(shè)置等因素，對(duì)大件實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低熱變形。此外，應(yīng)對(duì)機(jī)床關(guān)鍵發(fā)熱體的導(dǎo)熱率進(jìn)行改進(jìn)，選用比金屬導(dǎo)體具有更高導(dǎo)熱率的材料以將熱源處的熱量傳遞到其他部位，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)均衡。

2.3 誤差補(bǔ)償

作為改善機(jī)床加工精度的一種重要手段，熱誤差補(bǔ)償相比溫度控制和結(jié)構(gòu)優(yōu)化具有更高的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。誤差補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是構(gòu)建一個(gè)能對(duì)誤差預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，在數(shù)控加工時(shí)通過該模型預(yù)測(cè)誤差，以完成實(shí)時(shí)補(bǔ)償。熱誤差補(bǔ)償通常包含預(yù)先標(biāo)定誤差補(bǔ)償和主動(dòng)誤差補(bǔ)償兩部分。依據(jù)企業(yè)實(shí)際狀況，采用溫控技術(shù)對(duì)主軸熱特性進(jìn)行改善，可在不改變動(dòng)靜態(tài)性能的基礎(chǔ)上更好的提升機(jī)床熱態(tài)精度?？刹捎玫姆椒ㄓ校?/p>

（1）當(dāng)主軸單元溫度場(chǎng)分布與溫度梯度不一致時(shí)會(huì)導(dǎo)致主軸系統(tǒng)熱不對(duì)稱，由此可造成軸承發(fā)生偏斜。主軸設(shè)計(jì)應(yīng)做好對(duì)稱性設(shè)計(jì)，也就是熱對(duì)稱和結(jié)構(gòu)對(duì)稱。

（2）因制造或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等導(dǎo)致主軸單元內(nèi)部熱源難以進(jìn)行快速冷卻時(shí)，可選用冷源法對(duì)機(jī)床內(nèi)部重要熱源熱量進(jìn)行吸收，如利用強(qiáng)制油冷，將螺旋冷卻油槽附設(shè)在主軸外周，使用前后軸承改造形成專用冷卻回路等方法來改善主軸散熱條件。同時(shí)可配合使用熱源法對(duì)殘余熱誤差進(jìn)行校正，以實(shí)現(xiàn)綜合監(jiān)控溫度的目的[3]。

（3）降低主軸發(fā)熱量，可將接觸式密封替換為非接觸式迷宮密封氣封，以控制系統(tǒng)內(nèi)部熱源數(shù)量，將鋼珠軸承替換為陶瓷球軸承、使用同步電機(jī)代替異步電機(jī)、將脂潤(rùn)滑替換為油-氣潤(rùn)滑、調(diào)整軸承預(yù)緊力等來減小軸承發(fā)熱強(qiáng)度。

（4）對(duì)熱位移實(shí)施熱補(bǔ)償，可對(duì)軸承熱溫升狀況進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)部分溫度不高部件實(shí)施強(qiáng)制升溫，以產(chǎn)生熱對(duì)稱，改善主軸熱特性。

3 結(jié)語

主軸熱誤差的控制水平將直接影響臥式數(shù)控加工中心的運(yùn)行質(zhì)量和安全性，因此，相關(guān)技術(shù)與研究人員應(yīng)加強(qiáng)有關(guān)臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差問題的研究，總結(jié)臥式數(shù)控加工中心主軸熱誤差來源及關(guān)鍵控制技術(shù)措施，以逐步提升加工中心主軸工作精度。

參考文獻(xiàn)：

[1]仇健，劉啟偉，劉春時(shí)，馬曉波，林劍峰.臥式加工中心主軸溫度場(chǎng)預(yù)測(cè)與熱誤差分布[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，05（35）：57-58.

[2]陳松，王永青.數(shù)控機(jī)床熱誤差測(cè)點(diǎn)優(yōu)化模型預(yù)測(cè)與實(shí)時(shí)補(bǔ)償?shù)难芯縖J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2013，06（10）：61-62.

[3]李繼堂.加工中心主軸溫升實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)[J].制造技術(shù)與機(jī)床，2012，13（14）：74-75.

作者簡(jiǎn)介：石鑫江，男，浙江紹興人，本科，研究方向：數(shù)控臥式加工中心和數(shù)控鏜床的研發(fā)。