數(shù)控車床主軸溫度場(chǎng)分布檢測(cè)與控制措施

史安娜，曹富榮，劉斯妤，馬曉波

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

0 引言

數(shù)控加工技術(shù)向著高可靠性、高速度以及高精度的方向快速發(fā)展，現(xiàn)代制造行業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的加工速度、加工效率的要求越來越高[1]。改善車床的熱特性，成為制造業(yè)發(fā)展中最重要的研究課題之一。數(shù)控車床產(chǎn)生的熱變形，是因?yàn)檐嚧驳臏囟壬叨斐绍嚧膊考?huì)膨脹或者變形，從而導(dǎo)致刀具與工件之間的相對(duì)位移產(chǎn)生變化。熱誤差是高精度、高速機(jī)床的最大誤差源，約占總誤差的70%左右[2～4]。主軸作為高檔數(shù)控車床的最重要零部件之一[5]，主軸的熱變形主要是由主軸的溫度場(chǎng)分布不均勻所導(dǎo)致的，對(duì)數(shù)控車床主軸的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，對(duì)后續(xù)進(jìn)行熱變形分析，提高車床的加工精度、加工效率顯得尤為重要。

以CAK3665數(shù)控車床主軸為研究對(duì)象，對(duì)主軸熱穩(wěn)定后的整體溫度變化以及分布數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，并提出改善由于熱源所造成的主軸溫度場(chǎng)分布不均勻的方案。直接對(duì)改善車床主軸的熱特性提供了依據(jù)。

1 數(shù)控車床主軸的熱源

在正常工作的情況之下，數(shù)控車床的主軸受到內(nèi)、外熱源的作用，這些熱源都不是恒定的，內(nèi)部熱源與外部熱源的分類如圖1所示[6]。由于主軸上各零件的機(jī)構(gòu)、材料、形狀都不盡相同，受熱性能也不相同；在結(jié)合面處的每個(gè)連接件之間有不相同的表面?zhèn)鳠崆闆r以及一定的熱阻等因素，使得數(shù)控車床主軸表面產(chǎn)生了一個(gè)多變、復(fù)雜的溫度場(chǎng)。在形成的溫度場(chǎng)作用的影響之下，主軸上每個(gè)零部件材料所生成的熱應(yīng)力與熱位移隨著零部件的形狀、支承的方式以及材料本身的物理屬性的不同而不同，這樣，主軸的熱變形問題將變得更為復(fù)雜。

對(duì)主軸部件的加工精度起著最重要影響作用的因素不是溫升，而是主軸上溫度場(chǎng)的分布，其實(shí)是指溫度的梯度與溫度場(chǎng)相對(duì)于主軸的對(duì)稱性分布。雖然主軸部件的溫升比較高，但是，其溫度場(chǎng)的分布比較均勻，主軸系統(tǒng)每個(gè)點(diǎn)上的溫差比較小，主軸上溫度的梯度也很小，這樣，由溫升引起的誤差很小。但是，即使主軸系統(tǒng)的溫升很小，而主軸上每個(gè)點(diǎn)的溫度場(chǎng)分布不對(duì)稱或者是各個(gè)點(diǎn)的溫差比較大，這樣，所導(dǎo)致的加工誤差也會(huì)很大。

圖1 內(nèi)外熱源分類示意圖

2 FLIR紅外熱成像儀測(cè)溫

紅外測(cè)溫為非接觸式測(cè)量，不改變被測(cè)量介質(zhì)的溫度場(chǎng)，并且可以對(duì)移動(dòng)物件的動(dòng)態(tài)溫度進(jìn)行測(cè)量。紅外測(cè)溫的缺點(diǎn)為，在1000℃以下進(jìn)行測(cè)量時(shí)，溫度誤差較大。但是，對(duì)于運(yùn)行中的機(jī)床進(jìn)行測(cè)量，尤其是指對(duì)旋轉(zhuǎn)部件的溫度檢測(cè)，這種非接觸式的測(cè)溫方式是最為合適的[7]。

利用熱成像儀來檢測(cè)物體輻射單元的輻射能量。利用斯蒂芬 . 玻爾茲曼定律來求輻射單元的表面溫度，被測(cè)物體表面的輻射能量被紅外線熱像儀轉(zhuǎn)化成為視頻可見的圖像，通過光掃描機(jī)構(gòu)，紅外探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)輻射單元的輻射能量，并且將輻射單元的輻射能量轉(zhuǎn)化成為電子視頻信號(hào)，再經(jīng)過信號(hào)的處理，能夠顯示出可見的圖像。熱像圖用來表示被測(cè)量表面的二維輻射能量場(chǎng)以及所對(duì)應(yīng)的物體表面的溫度分布場(chǎng)。

在測(cè)量之前確定的參數(shù)有：被測(cè)量物體表面的發(fā)射率ε，被測(cè)量物體和熱成像儀檢測(cè)元件之間的距離Dobj，被測(cè)量物體周圍的溫度或者環(huán)境反射溫度Trefl，及其大氣溫度Tatm。

斯蒂芬 . 玻爾茲曼定律：

E為在單位面積上輻射單元的輻射能量，W.m-2；

σ為斯蒂芬.玻爾茲曼常數(shù)，σ=5.67×10-8W.m-2.K-4；

ε為物體輻射單元表面的輻射率，取決于物體表面的性質(zhì)；

T為輻射單元的表面溫度，K。

熱成像儀收集到的熱量包括三部分：

ετWobj為被測(cè)物體的輻射能；

(1-ε)τWrefl為熱源從周圍環(huán)境中反射的輻射能；

(1-τ) Watm為空氣的輻射能量。

其中，ε為被測(cè)物體表面的發(fā)射率；

τ為輻射能在空氣中的傳輸率；

(1-ε)為反射率；

(1-τ)為空氣的發(fā)射率。

所以，測(cè)量的總的輻射能Wtot為：

相應(yīng)的，熱成像儀的實(shí)測(cè)溫度Ttot包括三部分：

Tobj為被測(cè)量物體的溫度；

Trefl為環(huán)境溫度；

Tatm為空氣溫度。

所以，被測(cè)量物體的相應(yīng)溫度Tobj為：

3 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

以沈陽機(jī)床集團(tuán)CAK3665經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床主軸為研究對(duì)象，進(jìn)行測(cè)試該機(jī)床主軸的溫度場(chǎng)分布以及溫升變化規(guī)律。CAK3665數(shù)控車床的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 CAK3665數(shù)控車床整體圖形

機(jī)床在冷態(tài)下開始試驗(yàn)，環(huán)境溫度為22℃，相對(duì)濕度為50%，由于主軸采用鑄鐵材料，其傳播率為1.00，反射率為0.637，熱成像儀與發(fā)熱點(diǎn)的距離為2，滿足在試驗(yàn)前12小時(shí)之內(nèi)沒有工作，試驗(yàn)時(shí)不準(zhǔn)機(jī)床中途停車。

利用FLIR熱成像儀作為本試驗(yàn)主要的儀器設(shè)備，在數(shù)控車床主軸前后軸承以及其他主要熱源處布置測(cè)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)直接對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量即可，該機(jī)床主軸的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，應(yīng)采用2000r/min的轉(zhuǎn)速對(duì)數(shù)控車床主軸的溫度場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試，可保證機(jī)床在高速運(yùn)行時(shí)絕對(duì)安全，并通過軟件的處理轉(zhuǎn)換為實(shí)際的溫度值。在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)用熱成像儀對(duì)主軸進(jìn)行定期拍照，記錄每一時(shí)刻的主軸溫升熱場(chǎng)，測(cè)得每一時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)的溫度值，溫度測(cè)試系統(tǒng)的連接圖如圖3所示，其中，1為紅外熱像儀，2為火線，3為運(yùn)行數(shù)據(jù)釆集及處理軟件的PC機(jī)，4為電源模塊。測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的圖片如圖4所示。

圖3 溫度測(cè)試系統(tǒng)連接示意圖

圖4 測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

主軸總共運(yùn)行540min，當(dāng)主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)270min時(shí)達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，在該狀態(tài)下主軸的溫度場(chǎng)分布如圖5所示。以最終主軸前后軸承處的最高溫升作為考核的指標(biāo)，車床主軸在中速下連續(xù)運(yùn)行270min，主軸軸承溫升測(cè)量結(jié)果如表1所示。主軸在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中各個(gè)測(cè)量點(diǎn)的溫度時(shí)間變化曲線如圖6所示。

圖5 熱成像儀測(cè)量的溫度分布

圖6 溫度變化曲線

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過以上實(shí)驗(yàn)，得出了數(shù)控車床主軸溫度分布圖，以及溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律，由圖5可知，由于熱源的作用，使得整個(gè)溫度場(chǎng)的分布不均勻，在前后軸承及法蘭盤所在位置處的溫度比其他地方高，主軸后軸承處的溫度比前軸承處的高，主軸后軸承法蘭盤處的溫度也比前軸承法蘭盤處的高，主軸頭部將有翹曲的趨勢(shì)，嚴(yán)重影響機(jī)床加工精度。由圖6知，從冷態(tài)下開始試驗(yàn)，車床主軸總共運(yùn)行540min，在前270min運(yùn)行的過程中，隨著車床主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)，各測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸升高，當(dāng)車床主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)270min時(shí)達(dá)到溫升穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)的溫度值將不再隨著主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)而增加，后270min停車?yán)鋮s，各測(cè)點(diǎn)的溫度逐漸降低。由表1可知，當(dāng)車床主軸連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)270min時(shí)，各測(cè)點(diǎn)的溫度值將趨于穩(wěn)定，此時(shí)，SP4（后軸承法蘭盤）處的溫度值為32.281，SP5(后軸承)處的值是31.582，SP8（前軸承法蘭盤）處的溫度值為30.744，SP7（前軸承）處的溫度值是31.863，由此得出前軸承法蘭盤處的最高溫升為7.8，后軸承法蘭盤處的最高溫升為9.3。

5 改善溫度場(chǎng)分布不均勻的措施

主軸的熱變形主要是由主軸的溫度場(chǎng)分布不均勻而導(dǎo)致的，而溫度場(chǎng)的分布不均勻是由主軸的冷源與熱源的綜合作用所引起的。綜合以上實(shí)驗(yàn)測(cè)試的結(jié)果，提出以下措施：

1）選擇合適的軸承支撐系統(tǒng)。使得主軸兩端的軸承熱變形基本一致，避免主軸發(fā)生翹曲。

2）改善冷卻與散熱條件。用循環(huán)水、循環(huán)冷空氣等方法對(duì)主要的發(fā)熱體進(jìn)行冷卻，以便帶走主軸上的熱量，從而減小主軸的熱變形量。

3）均衡溫度。在主軸結(jié)構(gòu)中，通過對(duì)主軸各部位的溫度快速均衡，使得溫度較高位置的熱量快速的傳到溫度較低的位置，以便達(dá)到熱量與變形的平衡。

4）改善主軸結(jié)構(gòu)。將主軸設(shè)計(jì)對(duì)稱結(jié)構(gòu)，以便在溫升較大時(shí)，主軸各個(gè)部位所發(fā)生的變形平衡，減小加工誤差。

表1 主軸軸承在中速下不同時(shí)間內(nèi)的溫升測(cè)量結(jié)果

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6 結(jié)束語

針對(duì)數(shù)控車床熱變形很大程度的影響加工質(zhì)量的問題，對(duì)CAK3665經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床主軸進(jìn)行了研究，分析了車床主軸的熱變形機(jī)理，說明了FLIR紅外熱成像儀測(cè)溫優(yōu)缺點(diǎn)以及測(cè)溫原理，建立了主軸溫升熱場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得出主軸將會(huì)發(fā)生翹曲，以及得到隨著主軸的運(yùn)轉(zhuǎn)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度值和溫度隨著時(shí)間的變化規(guī)律。最后提出了改善溫度場(chǎng)分布不均勻的措施，使得減小主軸熱變形，提高加工精度、加工質(zhì)量。

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