縱切自動車床環境溫度變化誤差試驗研究

吳珊，孔令飛，習璐，張沛

（1.咸陽職業技術學院 汽車工程學院，咸陽 712000；2.西安理工大學 機械與精密儀器工程學院，西安 710048）

引言

隨著設計、制造、檢測、控制等技術的發展，幾何誤差、刀具誤差、安裝誤差等因素對機床精度的影響在逐漸減小，而由熱變形引起的熱誤差反而越發明顯[1]。英國伯明翰大學皮克林尼克調查表明機床在精密加工過程中熱誤差能夠占到總誤差的（40～70）%[2]。高端機床的精密加工熱誤差甚至達到了70 %以上[3]。熱誤差已成為解決機床加工精度亟需解決的問題。

縱切自動車床作為一種高端數控機床，其自動化和智能化程度高、通用性強[4,5]，廣泛應用于航空航天、汽車、醫療、半導體制造檢測等領域的軸類精密零件加工[6]。車床的內外熱源引起車床結構熱變形是熱誤差的主要因素。外部熱源的影響主要來源于變化的環境條件，如車間空調的開啟、晝夜或季節更替。環境溫度的變化導致熱量通過車床床身流動，進而產生非線性變形[7]。國際標準ISO 230-3：2007[8]中定義了測定機床熱效應的環境溫度變化誤差（ETVE）試驗，給出了立式加工中心、臥式加工中心以及斜床車削中心的ETVE 試驗的典型裝置，但是缺少針對縱切自動車床ETVE 試驗的說明。本文介紹了一種以RTS20 瑞士型縱切自動車床為對象的ETVE 試驗裝置，通過該裝置開展了恒主軸轉速變環境溫度、變主軸轉速變環境溫度等不同工況的熱誤差試驗，對環境溫度對熱誤差的影響進行了試驗研究，為機床熱誤差的控制提供依據。

1 ETVE 試驗設置

1.1 試驗裝置

基于縱切自動車床的ETVE 試驗裝置設計如圖1 所示。其中，試驗車床為RTS20 瑞士型數控縱切自動車床。為了準確獲取車床溫度分布及環境溫度變化，共布置11個Pt100 磁吸式溫度傳感器采集溫度數據（測量范圍：（-60～260）℃，精度：±0.15 ℃），采用日置 8423 存儲數據記錄儀收集記錄所有溫度數據。具體傳感器布置情況見表1。

表1 溫度傳感器布置

圖1 縱切自動車床的ETVE 試驗裝置設計示意圖

由于該車床刀柄只在“X-Y”型平面中運動，因此采用兩個SDVN08-4 型氣動接觸式位移傳感器測量刀具相對于測試芯軸在X、Y 方向的熱誤差，如圖2 所示。易測MDG-8 電感測微儀用于記錄位移傳感器的測量值。實驗過程中，每5 min 測量一次熱誤差，單方向測量時長為8 s，X 與Y 方向測量時長共16 s，選取中間穩定值作為結果，同時采集各溫度點數據，測量結束主軸仍以設定轉速運轉，直至下一次測量。

圖2 氣動接觸式位移傳感器測量X、Y 方向熱誤差

1.2 試驗工況

試驗分別在相同主軸轉速且不同環境溫度、變化主軸轉速且變化環境溫度兩種條件下進行。具體試驗工況見表2。工況1 與工況2 為相同主軸轉速且不同環境溫度的試驗，試驗主軸轉速設置為最大轉速（10 000 rpm）的50 %，即5 000 rpm，連續運轉8 h，試驗過程中空調始終保持開啟狀態。工況3 為變轉速變環境溫度試驗，主軸以隨機轉速進行運轉，轉速圖譜見圖3。為還原車床實際使用工況，將車間空調只在每日早上8∶30～下午5∶30 開啟。為觀察到晝夜環境溫度的變化，連續采集48 h 的實驗數據。

表2 試驗工況

圖3 隨機轉速圖譜

2 環境溫度影響試驗結果分析

2.1 恒轉速環境溫度影響試驗

工況1 的各溫度傳感器采集的溫度數據記錄為T1～T9，溫度曲線如圖4 所示。工況2 的溫度數據記錄為T1′～T9′，各溫度采集點的溫升如圖5 所示。圖6對比了9 個溫度測點在工況1 與工況2 條件下的溫差，溫差分別記錄為Td1～Td9。圖7 對比了工況1 與工況2的X、Y 方向的熱誤差。

圖6 各溫度測點在工況1 與工況2 條件下的溫差

圖7 工況1 與工況2 的X、Y 方向的熱誤差對比

從圖4～6 可以看出，在主軸相同轉速、機床相同開啟條件下，車床各部分溫升受環境溫度影響，環境溫度T4′高于T4，則T1′～T9′分別高于T1～T9，即環境溫度升溫越高，各部件升溫也越高。圖7 的熱誤差對比顯示，無論是X 方向還是Y 方向的熱誤差也均依賴于環境溫度變化。在8 h 實驗過程中，T4’與T4 最高溫差為1.18 ℃，T4′比T4 總體溫升高了0.45 ℃，對應的X 方向熱誤差增加了4.11 μm，這對于精密縱切車床具有重要意義。此外，還可以看到Y 方向熱誤差明顯小于X 方向，且小于考慮是由于RTS20 縱切自動車床的Y 軸近似對稱結構導致。

2.2 變轉速環境溫度影響試驗

工況3 的隨機轉速下各溫度采集點的數據如圖8（a）所示，隨機轉速下的熱誤差變化如圖8（b）所示，深灰色部分表示主軸轉速，淺灰色背景表示空調開啟的時間段。由圖8 可知，隨機轉速下的溫度與熱誤差呈周期性變化，其變化周期與轉速的變化周期一致。可以明顯看出轉速為8 000 rmp 時主軸前、后軸承等部位溫升最快，周期性溫度最高點均在高轉速末端處，但最大熱誤差并不出現在高轉速時。同時，觀察到轉速從8 000 rmp 調整到2 000 rmp 時熱誤差并沒有降低，而是以更快增速增長，直到2 000 rmp 末端達到頂峰，最高可達28.69 μm，當轉速由2 000 rmp 調整到6 000 rmp 時熱誤差反而降低，考慮是異步交流電機在低轉速時熱能耗較大導致。試驗結果明顯可以看出，空調開啟后各測點溫度有明顯降低，最高降幅可達3 ℃，熱誤差隨之也有明顯降低趨勢，最高降幅達6 μm。此外，通過試驗發現，車床在開啟后各溫度測點會快速升溫，而后進入熱穩定期，但是盡管在機床預熱后，熱誤差也是非平穩的，熱誤差與主軸轉速、環境溫度等工況的變化呈非線性動態變化關系。

圖8 工況3 的隨機轉速下溫度與熱誤差呈周期性變化

4 結論

本文通過縱切自動車床環境溫度變化誤差（ETVE）試驗裝置，進行了恒主軸轉速變環境溫度與變主軸轉速變環境溫度的熱誤差試驗，并對環境溫度對熱誤差的影響進行了研究分析。試驗得到如下結論：

1）在相同主軸轉速下，環境溫度變化影響著車床結構各部位的溫升，進而影響熱誤差。

2）在隨機主軸轉速下，主軸軸承等溫度測點的溫升受轉速變化的影響，熱誤差的增長與關鍵測點溫度具有相同變化周期，但不具有相同變化趨勢，即溫度快速升高期熱誤差并不一定也正向增長。

3）車間空調是否開啟對熱誤差有較大影響。

4）盡管在機床預熱后，熱誤差也是非平穩的，熱誤差與主軸轉速、環境溫度等工況的變化呈非線性動態變化關系。