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(xué)機械工程學(xué)院，遼寧沈陽110159;②沈陽機床(集團)有限責(zé)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(dá)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(jìn)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(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)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(guān)鍵點溫度、主軸轉(zhuǎn)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(jìn)行了綜合考慮［6］。Tiago Cousseaua等人對高精度數(shù)控車床進(jìn)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(jìn)行了研究，總結(jié)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(jìn)行了研究，對仿真結(jié)果進(jìn)行了優(yōu)化，使得仿真結(jié)果與優(yōu)化后的結(jié)果之間的誤差率維持在了5%以內(nèi)［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(yīng)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(shù)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(jìn)行數(shù)控機床優(yōu)化設(shè)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(nèi)熱源和外熱源［10］，兩者的主要組成形式如圖1所示。內(nèi)部熱源會生成一定的發(fā)熱量，并通過零部件之間的傳導(dǎo)、與周圍空氣的對流散熱等相關(guān)的方式傳遞熱量，從而在數(shù)控機床內(nèi)部產(chǎn)生非均勻的溫度場，導(dǎo)致零部件形成不同程度的熱變形誤差，并且容易產(chǎn)生振動，不僅使得加工表面質(zhì)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(shè)計

2.1 實驗設(shè)備介紹

在主軸運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)過程中主軸箱上關(guān)注點的溫升。FLIR紅外熱像儀的技術(shù)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(jìn)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(jìn)行記錄。激光三角測量儀的技術(shù)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(jìn)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(nèi)機床沒有工作，實驗時不準(zhǔn)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(zhuǎn)4 h，采用4 000 r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)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(jìn)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(guān)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(chǎn)的激光三角測量儀對主軸熱變形進(jìn)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(jìn)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(zhuǎn)的跳動(端跳、徑向跳動)越小，測試精度越高;反之測試結(jié)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(zhuǎn)，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(nèi)，所以進(jìn)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(guān)鍵點的溫升曲線圖，主要對SP02、SP06、SP08這3個關(guān)鍵點的溫度進(jìn)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(jié)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(zhuǎn)3小時左右時，主軸箱達(dá)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(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，機床的熱態(tài)性能優(yōu)異。主軸箱達(dá)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(zhuǎn)的前1.5小時之內(nèi)，主軸在X軸方向的變形一直向X軸負(fù)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(fù)，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(zhuǎn)初期，機床在Y軸方向的變形一直向Y軸負(fù)方向增加，在主軸箱達(dá)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(zhuǎn)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(dá)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(jié)果，在主軸以4 000 r/min的轉(zhuǎn)速連續(xù)運轉(zhuǎn)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(yīng)給與足夠的重視。在3小時左右主軸系統(tǒng)達(dá)到熱平衡狀態(tài)。

4 結(jié)語

(1)應(yīng)用紅外熱成像技術(shù)與激光測距技術(shù)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(dá)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(dá)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(biāo)。