非切削狀態(tài)下加工中心主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的測試及分析*

常文芬 陳 野 陳紅昌

(①天津大學(xué),天津 300072；②北京工研精機股份有限公司，北京 101312)

主軸作為機床的重要功能部件，其回轉(zhuǎn)精度直接決定了工件加工的精度及表面粗糙度。對于機床生產(chǎn)廠家而言，主軸的回轉(zhuǎn)精度是機床首先要控制和保證的精度。隨著新技術(shù)的發(fā)展，加工中心主軸的轉(zhuǎn)速越來越高，如對于BT30及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20 000～30 000 r/min，對于BT40及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到15 000～20 000 r/min，對于BT50及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到10 000～15 000 r/min。測試機床主軸的方法主要有靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))測試法和動態(tài)測試法。傳統(tǒng)的靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))測試法主要是檢測徑向跳動/軸向跳動，它既不能反映出主軸在高轉(zhuǎn)速下的精度信息，也無法將不同性質(zhì)的誤差成分區(qū)分開，已經(jīng)無法滿足高速主軸回轉(zhuǎn)精度測試的需求。而動態(tài)法所測得的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度不僅可以反映主軸在高速下的精度情況，還可以將不同性質(zhì)的誤差分離開，為主軸的生產(chǎn)廠以及主軸使用者提供更具有實際參考意義的信息。因此，要想預(yù)測主軸在高速下的回轉(zhuǎn)精度，就要采用動態(tài)法來檢測主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度，以動態(tài)回轉(zhuǎn)精度作為評價主軸的標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。

筆者利用美國Lion Precision公司的主軸誤差分析儀對普通級立式加工中心及精密級臥式加工中心在非切削狀態(tài)下的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行了檢測分析，通過對測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了不同轉(zhuǎn)速情況下主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度，以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機床的熱特性，為機床以及主軸功能部件的設(shè)計提供一些參考和技術(shù)支撐。

1 主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的測試及評定方法

針對主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試，我國已發(fā)布了《GB/T 17421.7-2016 回轉(zhuǎn)軸線的幾何精度》的測試標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中主要討論了主軸誤差運動的定義和測試方法。其定義和測試方法區(qū)別于主軸靜態(tài)下的徑向跳動/軸向跳動，我們可將其理解為主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度。

(1)主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的內(nèi)涵

對于一個回轉(zhuǎn)軸線而言，共包含6項誤差，如圖1所示。其中：EXC為軸線在X方向的徑向誤差，EYC為軸線在Y方向的徑向誤差，EZC為軸向誤差，EAC為圍繞X軸的傾斜誤差，EBC為圍繞Y軸的傾斜誤差，ECC為角定位誤差。

對于主軸軸線而言，圖1中的X/Y/Z即為機床的Z軸，EXC、EYC表現(xiàn)為主軸軸線的徑向偏離誤差，EZC表現(xiàn)為軸向偏離誤差，EAC、EBC表現(xiàn)為主軸軸線的傾斜誤差，ECC則由于加工中心主軸無精確定位要求在測試中予以忽略。所謂的主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)誤差，即為以上前五項誤差隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而得到的誤差[4-6]。

(2)主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測方法

根據(jù)不同類型的測試對象需要采用不同的測試方法，將測試方法分為單向測量法和雙向測量法。單向測量法是在主軸的敏感方向上安裝一個位移傳感器測得，這種方法適用于固定敏感方向，即工件旋轉(zhuǎn)刀具固定不動的一類機床，如車床。雙向測量法采用垂直放置的兩個位移傳感器，這種方法適用于旋轉(zhuǎn)敏感方向，即刀具旋轉(zhuǎn)工件固定不動的一類機床，如鏜床。

以徑向動態(tài)回轉(zhuǎn)精度為例，如圖2所示，采用雙向測量法，垂直于主軸軸線相位差90°放置兩個非接觸式位移傳感器，通過對裝夾在主軸上的測試球或者測試棒的測量，先測量出回轉(zhuǎn)誤差運動在X和Y兩個方向上的分量，再通過計算得到在敏感方向上的總誤差運動，繪制徑向動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的極坐標(biāo)曲線圖，獲得不同轉(zhuǎn)速下徑向動態(tài)回轉(zhuǎn)精度值[4-6]。

(3)主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測儀器

基于對標(biāo)準(zhǔn)的理解，采用主軸誤差分析儀對不同種類的機床主軸進(jìn)行了回轉(zhuǎn)誤差的測試，系統(tǒng)中采用雙標(biāo)準(zhǔn)球模擬刀具或工件裝夾在主軸的刀柄中，與待測主軸一起旋轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差小于50 nm，則測試球的圓度誤差相對于主軸的回轉(zhuǎn)誤差，可以忽略不計。測試球的位移數(shù)據(jù)由位移傳感器及其驅(qū)動器采集并由軟件SEA處理，將所得結(jié)果以數(shù)值及圖像的形式顯示在軟件界面。實際檢測儀器如圖3所示。

實際操作時，將傳感器按照如圖1a、b所示進(jìn)行安裝，X2和Y2為主軸近端傳感器，X和Y為主軸遠(yuǎn)端傳感器，Z為軸向傳感器。實際測試時，X和X2為不同位置的EXC，Y和Y2為不同位置的EYC，X和X2的差值即為EAC傾斜誤差，Y和Y2的差值即為EBC傾斜誤差，Z為軸向誤差。

2 主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測及分析

2.1 用于實際測試的加工中心

用于實際測試的加工中心如圖4。其中，圖4a為普通級立式加工中心，采用皮帶傳動的主軸，刀柄型號為BT40，主軸的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，無冷卻系統(tǒng)，機床為C型結(jié)構(gòu)；圖4b為精密級臥式加工中心，采用一體式電主軸，刀柄型號為BT50，主軸的最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，采用循環(huán)油冷卻，機床為倒T型結(jié)構(gòu)。

2.2 主軸的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度

(1)同一主軸不同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度變化情況

圖5為加工中心主軸的動態(tài)精度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。其中，圖5a為皮帶傳動普通級加工中心主軸，圖5b為電主軸精密級加工中心主軸。根據(jù)GB/T 18400普通級加工中心及GB/T 20957精密級加工中心中對于主軸徑向跳動和軸向竄動的要求，兩軸均可以滿足相應(yīng)等級主軸的標(biāo)準(zhǔn)要求精度值，并具有很大的精度裕度。

從圖5a可以看出，該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度包括近端和遠(yuǎn)端徑向誤差、軸向誤差均較小(小于2 μm)，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，主軸的近端徑向動態(tài)誤差和軸向動態(tài)誤差變化較小，但遠(yuǎn)端徑向動態(tài)誤差卻變化較大，基本接近10 μm，在5 000 r/min時達(dá)到了12 μm以上，但在6 000 r/min時又降至8 μm。總的來看，隨著轉(zhuǎn)速的升高，主軸的動態(tài)精度損失較大，尤其是遠(yuǎn)端的精度，實際加工時，這將表現(xiàn)為主軸的擺動，進(jìn)而影響到工件的輪廓精度及表面粗糙度。

從圖5b可以看出，該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度很高，基本小于2 μm，近端的徑向誤差則小于1.5 μm。隨著轉(zhuǎn)速的升高，該主軸也出現(xiàn)了誤差的變化，但總的來說變動值很小：徑向動態(tài)誤差近端在3 μm以內(nèi)，遠(yuǎn)端在4 μm以內(nèi)，軸向動態(tài)誤差在4.5 μm。與皮帶傳動的主軸相比，該電主軸的動態(tài)精度更高更穩(wěn)定。

與此同時，也可以看出圖5a中的機械主軸其軸端部的精度(包括徑向和軸向精度)更好，而圖5 b中的電主軸遠(yuǎn)端徑向精度更好，軸向精度不理想。兩圖中都可以看出，主軸的徑向動態(tài)誤差近端和遠(yuǎn)端具有類似的形狀和變化規(guī)律，兩軸均有動態(tài)精度低的轉(zhuǎn)速，機械主軸表現(xiàn)在3 000 r/min和5 000 r/min時遠(yuǎn)端徑向誤差的突跳，電主軸表現(xiàn)在6 000 r/min時軸向誤差的突跳。因此在實際使用中，應(yīng)避開回轉(zhuǎn)誤差較大的轉(zhuǎn)速，從而獲得較高的加工精度。

(2)不同主軸在相同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)回轉(zhuǎn)精度的對比情況

如圖6所示是兩種不同主軸的近端、遠(yuǎn)端徑向動態(tài)誤差和軸向動態(tài)誤差的對比情況。其中圖表6a示機械主軸，圖6b表示電主軸。可以明顯看出在不同的轉(zhuǎn)速下機械主軸的動態(tài)精度變化比較明顯，與電主軸相比其動態(tài)精度的穩(wěn)定性差，其誤差值也比電主軸要大，總的動態(tài)精度特性比電主軸差。雖然對于不同精度加工中心而言精度值要求不同，不過總的來說在實際制造過程中仍應(yīng)控制動態(tài)精度的穩(wěn)定性。

同時也可以看出，電主軸由于其零傳動的特點，其動態(tài)精度相對穩(wěn)定，而且精度值較高，皮帶傳動的機械軸雖然靜態(tài)精度控制的很好，但實際工作中卻會由于傳動環(huán)節(jié)使得其動態(tài)精度出現(xiàn)較大的波動。

2.3 主軸的偏擺和熱伸長

在測試軟件中，將主軸的熱變形定義為熱漂移，包括垂直于軸線方向的偏擺以及沿軸線方向的伸長。如圖7所示。

圖7a為皮帶傳動的機械主軸在最高轉(zhuǎn)速75%條件下運行1 h的熱漂移情況。X向的熱漂移為近端8.45 μm、遠(yuǎn)端9.22 μm，Y向的熱漂移為近端48.7 μm、遠(yuǎn)端51.6 μm，Z向的熱漂移為44.6 μm。X向的熱漂移相對Y向的小很多，說明機床的左右熱對稱很好，但前后的熱對稱比較差，C型結(jié)構(gòu)的缺點非常明顯，隨著主軸運轉(zhuǎn)時間的增加，Y向整體偏移很大。Z向的趨勢為主軸與工作臺靠近，說明隨著運轉(zhuǎn)時間的增加，主軸伸長；同時遠(yuǎn)離主軸端部的位置偏擺加大，由于數(shù)值較大，會影響加工精度。Y向的漂移在近端和遠(yuǎn)端均較大，近端和遠(yuǎn)端的差值不大，表現(xiàn)為整體的漂移，反映了該機床結(jié)構(gòu)本身的熱特性。從溫升情況來看，主軸前軸承處的溫升為10 ℃，主軸的溫升情況良好，說明軸承選擇合理，軸承的安裝和預(yù)緊等也比較好。

圖7b為電主軸在最高轉(zhuǎn)速75%運行2 h的熱漂移情況。前24 min為主軸升速階段，可以看到，至24 min時升至最高轉(zhuǎn)速75%，分析數(shù)據(jù)時予以忽略。機床X向的熱漂移近端9.4 μm、遠(yuǎn)端11.5 μm，Y向的熱漂移為近端1.59 μm、遠(yuǎn)端1.11 μm，Z向的熱漂移為37.5 μm。在48 min后主軸的Z向熱漂移基本在5～6 μm的變化范圍，可以認(rèn)為在48 min鐘后主軸進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)。各軸周期性的“抖動”變形與軸承處的溫度變化周期一致，是由恒溫油箱的開停機造成的。機床的Y向漂移非常小，X向則向左漂移，經(jīng)過分析是由于機床左側(cè)的恒溫油箱周期性向立柱輸送冷風(fēng)，而在機床立柱右后側(cè)有一臺其他設(shè)備的空調(diào)外機向立柱周期性輸送熱風(fēng)，最終導(dǎo)致立柱左右冷熱不均造成的。從溫升情況來看，主軸前軸承處的溫升為2 ℃，主軸的溫升情況很好，說明軸承選擇合理，軸承的安裝、預(yù)緊和冷卻措施等也比較好，冷卻系統(tǒng)起到了很好的作用[7-8]。

兩種主軸相比較可以看出，機床的對稱設(shè)計非常重要，兩種機床均為左右對稱的結(jié)構(gòu)形式，在無外界熱載荷的情況下，機床受熱時對稱設(shè)計的X向偏擺很小；從Y向來看，立式機床由于機床整機剛度相對弱于臥式機床，其Y向偏擺大，熱特性較差。同時可以看出，采用冷卻措施對主軸的熱特性影響非常大，主軸的發(fā)熱不僅影響主軸自身的溫升和漂移，同時也會帶來機床的姿態(tài)發(fā)生改變，從而更加劇了主軸的偏擺幅度，造成加工精度的損失；但Z向的熱伸長是不可避免的，冷卻情況下熱伸長的幅度要比無冷卻措施的主軸小14 μm，仍起到了很好的作用。為了達(dá)到更高的精度，可根據(jù)以上曲線進(jìn)行Z向的熱補償，則主軸的熱變形可以極大地減小，從而獲得好的加工精度。

3 結(jié)語

從以上比較可以看出，對于不同結(jié)構(gòu)形式、不同冷卻方式的主軸而言，在靜態(tài)精度接近的情況下，其動態(tài)精度卻會產(chǎn)生非常大的變化。同時，在非切削狀態(tài)下，隨著主軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)時間的延長，主軸的偏擺和伸長也會加大，較好的機床結(jié)構(gòu)和較高的剛度有助于機床獲得較好的熱態(tài)精度和動態(tài)回轉(zhuǎn)精度。

對于加工中心主軸而言，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，僅采用靜態(tài)測試法已經(jīng)無法滿足主軸精度的測試要求，應(yīng)更多關(guān)注主軸的動態(tài)精度。利用主軸誤差分析儀對主軸進(jìn)行非切削、高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動態(tài)精度和熱特性測試和分析可以預(yù)測機床的加工精度，為機床的設(shè)計、伺服調(diào)整、誤差補償?shù)忍峁┖芎玫募夹g(shù)支撐。

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