數(shù)控車床主軸熱變形誤差檢測及改善措施

數(shù)控車床主軸熱變形誤差檢測及改善措施史安娜;曹富榮;劉斯妤;馬曉波【摘要】熱變形誤差是影響高速高精密數(shù)控機(jī)床加工精度的主要因素，對機(jī)床主軸熱變形進(jìn)行檢測與研究顯得至關(guān)重要.以CAK3665數(shù)控車床主軸為研究對象，運(yùn)用傳熱學(xué)經(jīng)典理論對主軸系統(tǒng)的熱源分布以及傳熱方式進(jìn)行了介紹,并通過FLIR紅外熱像儀測溫技術(shù)和激光測距技術(shù)對主軸溫升與車床熱變形進(jìn)行了測量與研究，測得主軸中速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，溫度對主軸軸向的熱伸長誤差的影響大于主軸徑向的熱變形誤差.最后，根據(jù)測量結(jié)果提出減小主軸熱變形的措施.研究工作為車床主軸的進(jìn)一步改進(jìn)設(shè)計(jì)和熱變形補(bǔ)償提供依據(jù).【期刊名稱】《制造業(yè)自動化》【年(卷)，期】2019(041)001【總頁數(shù)】5頁(P1-4,28)【關(guān)鍵詞】數(shù)控車床;熱變形;紅外熱像儀;激光測距【作者】史安娜;曹富榮;劉斯妤;馬曉波【作者單位】沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159;沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院沈陽110159;沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽110159;沈陽機(jī)床(集團(tuán))有限責(zé)任公司，沈陽110142【正文語種】中文【中圖分類】TH161+.4;TG6590引言隨著數(shù)控機(jī)床高精密加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工表面質(zhì)量、加工精度方面的要求也日益提高，機(jī)床的高速化、精密化成為一個不可阻擋的發(fā)展趨勢。在精密加工中，熱變形誤差在高端數(shù)控機(jī)床誤差中占到［1］，越精密的機(jī)床，熱誤差在機(jī)床總誤差中所占的比重越大，熱誤差已成為影響機(jī)床加工精度的主要誤差來源。主軸作為高精密數(shù)控加工中心機(jī)床的最重要零部件之一，其熱變形是構(gòu)成機(jī)床總熱變形的最重要的影響因素，它的性能好壞對機(jī)床加工產(chǎn)品的質(zhì)量、加工精度的影響很大。因此，主軸的熱變形誤差的檢測對機(jī)床加工精度的保證極其重要，是高速高精密機(jī)床要考慮的關(guān)鍵問題之一。在主軸系統(tǒng)熱特性研究方面，近年來國內(nèi)外眾多學(xué)者開展了研究，并取得了一定的研究成果。M.Mori等人運(yùn)用正交試驗(yàn)法進(jìn)行主軸箱的優(yōu)化設(shè)計(jì)以減小熱變形，并且該方法的準(zhǔn)確性也得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［2］°J.Jedrzejewski等人構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床熱源的數(shù)學(xué)模型，對機(jī)床整機(jī)熱流進(jìn)行了詳細(xì)分析，實(shí)現(xiàn)了溫度場與熱變形關(guān)系的精確預(yù)測［3］。TiagoCousseaua等人對車床主軸系統(tǒng)進(jìn)行了研究，建立了高精度數(shù)控車床主軸的軸向、徑向誤差補(bǔ)償模型，解決了由于主軸系統(tǒng)熱變形引起的數(shù)控車床加工精度下降的問題［4］。馬立新等人將五坐標(biāo)龍門加工中心主軸系統(tǒng)作為研究對象，通過邊界條件修正、模型修正等手段對其熱特性進(jìn)行了研究［5］。張奎奎等人進(jìn)行了某龍門機(jī)床主軸系統(tǒng)的有限元建模以及熱態(tài)特性分析［6］。姜杉等人利用有限元仿真得到主軸系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)溫度場分布信息，以及系統(tǒng)達(dá)到熱穩(wěn)定所需要的時間［7］。以CAK3665經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的主軸為研究對象，對車床運(yùn)行時主軸關(guān)鍵點(diǎn)的溫升以及XZ平面主軸熱變形進(jìn)行三次測量，掌握并了解車床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的實(shí)際工況，如熱平衡時間、主軸在不同時間內(nèi)的各向熱變形大小、方向等信息，并對三次測量結(jié)果進(jìn)行比較，提出改善機(jī)床熱變形誤差的方案。研究工作有利于后續(xù)對車床主軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以及熱變形補(bǔ)償?shù)於嘶A(chǔ)。1傳熱學(xué)經(jīng)典理論根據(jù)熱力學(xué)能量守恒定律，機(jī)床主軸系統(tǒng)的能量方程可表達(dá)為：式中，Q為熱量，W為機(jī)械做功，APE為系統(tǒng)勢能，AKE為系統(tǒng)動能，AU為系統(tǒng)內(nèi)能。在機(jī)床切削加工過程中不具有系統(tǒng)勢能與動能變化，牌￡3此=0,Q-W=AUO因此，主軸系統(tǒng)的熱傳遞速率q=dU/dt,等于主軸系統(tǒng)內(nèi)能的變化。主軸與主軸系統(tǒng)內(nèi)部以及機(jī)床其他部件都存在熱傳導(dǎo)，周圍介質(zhì)與主軸系統(tǒng)表面接觸由于溫差形成熱對流。因此，綜合牛頓冷卻方程和傅里葉定律來描述主軸系統(tǒng)的熱對流和熱傳導(dǎo)可得：式中，q為熱傳遞速率，q‘為熱流密度（W/m2）,h為對流換熱系數(shù)（W/m2%）,TS為主軸系統(tǒng)的表面溫度，TB為周圍的空氣溫度，k為導(dǎo)熱系數(shù)（W/m『C），熱量流向溫度降低的方向。機(jī)床在運(yùn)行期間主軸系統(tǒng)的內(nèi)能、溫度及熱邊界條件和熱流率隨時間明顯變化，屬于瞬態(tài)熱系統(tǒng)，可將瞬態(tài)熱平衡表達(dá)為：式中，C為比熱矩陣，考慮系統(tǒng)內(nèi)能的增加；為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；K為傳導(dǎo)矩陣，包含形狀系數(shù)、輻射率、對流系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)；T為節(jié)點(diǎn)溫度向量；Q為節(jié)點(diǎn)熱流率向量，包含熱生成［8］。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)數(shù)控車床在加工零件的過程中，外部熱源（如環(huán)境溫度、陽光照射等）與內(nèi)部熱源（如電動機(jī)、軸承、液壓系統(tǒng)、摩擦件、齒輪以及切削熱等）對其工作精度造成重要的影響。實(shí)驗(yàn)在沈陽機(jī)床集團(tuán)CAK3665數(shù)控車床上進(jìn)行，這類系列型號的精密車床在結(jié)構(gòu)上存在良好的一致性，所以實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的可信度。在車床精加工過程中，由于切削用量小，切削力也相對較小，從而由切削運(yùn)動弓I起的熱量也很少。因此，實(shí)驗(yàn)時不考慮切屑與切削運(yùn)動造成的影響，而實(shí)驗(yàn)主要在空切削的狀態(tài)下進(jìn)彳行機(jī)床在冷態(tài)下開始實(shí)驗(yàn)，為了保證實(shí)驗(yàn)的初始條件良好，應(yīng)當(dāng)測試之前12小時之內(nèi)機(jī)床沒有工作，并且整個測試期間不準(zhǔn)中途停車。實(shí)驗(yàn)所用機(jī)床的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min，此處在主軸端部安裝檢棒以后，為了保證機(jī)床在測試過程中高速運(yùn)行時絕對安全，運(yùn)用中速2000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行溫升以及熱變形實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)總共持續(xù)540min，主軸連續(xù)運(yùn)行270min，接下來的270min內(nèi)停車?yán)鋮s。利用FLIR紅外熱像儀測溫技術(shù)對主軸關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行溫升測試，以最終車床主軸前后軸承法蘭盤處的最高溫升作為考核指標(biāo)，主軸溫升測試系統(tǒng)裝置如圖1所示。熱變形實(shí)驗(yàn)主要測量車床連續(xù)運(yùn)作時主軸旋轉(zhuǎn)中心線在XZ平面內(nèi)的最大線位移與角位移。車床卡盤裝卡045x300mm的檢棒進(jìn)行測量，3個傳感器分別裝在主軸檢棒的外卜側(cè)和右端，與機(jī)床切削外圓和端面時刀具與工件的相對位置相同，打表后進(jìn)行檢測，每隔1秒測量一次數(shù)據(jù)，每60次篩選出一個點(diǎn)繪圖。熱變形方向規(guī)定為，X方向：向刀架為負(fù)，Z方向：向右為正。車床在升溫與降溫過程中的主軸變形曲線圖中，系列1表示主軸X軸方向線位移，系列2表示主軸X軸方向角位移，系列3表示主軸Z軸方向線位移。主軸熱變形測試裝置以及儀器布置如圖2所示。圖1主軸溫升測試裝置以及儀器布置圖圖2主軸熱變形測試裝置以及儀器布置圖3實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析第一次測量時主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果如表1所示，車床在升溫與降溫過程中的主軸變形曲線如圖3所示。由此可知，當(dāng)主軸以中速2000r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，前軸承法蘭盤處的最高溫升為7.83°C,后軸承法蘭盤處的最高溫升為9.28C。X方向熱變形為9.31pm,角位移2.40pm/250mm,方向向著刀架；Z方向熱變形19.56pm,方向向右。表1第一次測量主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果X方向Z方向溫升線位移（系列1） mm時間min角位移（系列2）mm/250mm線位移（系列3）mm前軸承法蘭盤后軸承法蘭盤00000030-0.00228-0.00240.008842.1812.91660-0.0034-0.000470.018563.7634.87390-0.00592-0.001840.018624.9155.939120-0.00654-0.001870.019565.9227.004150-0.00757-0.001120.016636.2917.911180-0.007880.000370.016077.0438.256210-0.008290.000830.015767.4178.634240-0.00922-0.000750.014297.6848.898270-0.00931-0.001150.015267.8329.283300-0.005020.001650.014057.5747.733330-0.005430.000240.015776.9757.208360-0.00795-0.002650.016766.4076.582390-0.00658-0.001720.015585.7975.853420-0.003960.000220.011975.4565.344450-0.002810.000430.010355.0844.842480-0.001970.001150.008764.7414.68651000.000990.004684.2714.1115400.00086-0.001940.001013.8553.55表2第二次測量主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果X方向Z方向溫升線位移（系列1） mm時間min角位移（系列2）mm/250mm線位移（系列3）mm前軸承法蘭盤后軸承法蘭盤00000030-0.00152-0.002270.013361.5171.73560-0.00255-0.003580.017123.9944.13290-0.00417-0.00470.02085.7956.316120-0.00361-0.004390.024917.3137.894150-0.00514-0.00530.02228.5149.251180-0.00492-0.005550.020649.1999.786210-0.00523-0.006010.020459.94310.526240-0.00585-0.006820.0201410.45510.977270-0.00628-0.007880.0209510.79611.542300-0.00684-0.007970.0224510.72211.158330-0.00619-0.008750.021459.79810.022360-0.0055-0.00850.018968.8079.026390-0.00516-0.006070.016037.6947.919420-0.00336-0.005430.013517.057.116450-0.00087-0.004990.01226.2796.3754800.00047-0.004520.011275.7135.802510-0.00056-0.004030.009494.9425.2035400.00022-0.005390.008414.5694.784圖3第一次測量主軸熱變形時間曲線第二次測量時主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果如表2所示，車床在升溫與降溫過程中的主軸變形曲線如圖4所示。由此可知，當(dāng)主軸以中速2000r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，前軸承法蘭盤處的最高溫升為10.8°C,后軸承法蘭盤處的最高溫升為11.54C。機(jī)床中速連續(xù)運(yùn)行270min達(dá)到穩(wěn)定溫升，X方向熱變形為6.28pm,角位移7.88pm/250mm;Z方向熱變形24.9卻m。圖4第二次測量主軸熱變形時間曲線第三次測量時主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果如表3所示，車床在升溫與降溫過程中的主軸變形曲線如圖5所示。由此可知，當(dāng)主軸以中速2000r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，前軸承法蘭盤處的最高溫升為11.05C,后軸承法蘭盤處的最高溫升為14.28C。X方向熱變形為13.14pm,角位移4.95pm/250mm;Z方向熱變形19.83pm。表3第三次測量主軸中速溫升及熱變形測試結(jié)果時間minX方向Z方向溫升線位移（系列2）mm角位移（系列2）mm/250mm前軸承法蘭盤線位移（系列2）mm后軸承法蘭盤00000030-0.001190.002140.015352.4654.42660-0.00502-0.000760.017255.1068.33490-0.004110.000280.018376.69110.119120-0.005420.000280.018778.26311.528150-0.0073500.019119.18612.24180-0.00726-0.000540.0198310.03912.944210-0.00975-0.002120.018910.58413.321240-0.01314-0.004950.018811.0513.891270-0.01081-0.003060.0174910.98514.28300-0.0102-0.003160.0166811.212.365330-0.01031-0.004270.018410.18310.562360-0.01013-0.004460.019198.8378.883390-0.00876-0.003530.018218.0088.091420-0.00614-0.001590.01466.9397.358450-0.00499-0.001380.012986.2486.548480-0.00415-0.000660.011395.6135.633510-0.00219-0.000820.007314.9265.325540-0.00132-0.002750.003644.2314.374圖5第三次測量主軸熱變形時間曲線綜合以上三次測量結(jié)果，實(shí)驗(yàn)總共持續(xù)540min，機(jī)床以中速2000r/min連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，前、后軸承法蘭盤處的最高溫升匯總?cè)绫?所示。根據(jù)三次測量結(jié)果發(fā)現(xiàn)，由于三次實(shí)驗(yàn)的環(huán)境溫度不同，因此主軸的溫升穩(wěn)定后，前、后軸承法蘭盤處每次測量的最高溫升值也不相同，并且每次測量中后軸承法蘭盤處的最高溫升值較前軸承法蘭盤處更高。表4前、后軸承法蘭盤處的最高溫升匯總測量次數(shù)前軸承法蘭盤后軸承法蘭盤第—次測量7.83°C9.28°C第二次測量10.80°C11.54°C第三次測量11.05°C14.28°C在整個測試期間主軸XZ平面內(nèi)的最大熱變形匯總?cè)绫?所示。由表得出，通過測量結(jié)果進(jìn)行對比，在每次測量過程中，主軸Z向熱伸長較X向熱變形更大，說明溫度對主軸軸向的熱伸長誤差的影響大于主軸徑向的熱變形誤差，提高主軸軸向的熱態(tài)精度是提高該數(shù)控車床加工精度的主要目標(biāo)。表5主軸熱變形匯總X向熱變形Z向熱變形測量次數(shù)線位移角位移（口m/250mm）線位移第一次測量9.312.4019.56第二次測量6.287.8824.91第三次測量13.144.9519.834主軸熱變形的改善措施由以上實(shí)驗(yàn)和分析可知，車床在工作過程中受到各種熱源作用，使得車床各零部件發(fā)熱，車床主軸將產(chǎn)生變形，進(jìn)而會導(dǎo)致車床加工精度下降。因此，改善主軸的熱變形，對提高車床加工精度、加工效率顯得至關(guān)重要，提出以下措施：1） 減小軸承預(yù)緊力。適當(dāng)減小軸承預(yù)緊力，以降低主軸溫升與減小軸向（Z向）伸長量。2） 改善軸承的冷卻潤滑系統(tǒng)的參數(shù)。如壓縮空氣的流速、壓縮空氣的壓力。3） 熱對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在對車床主軸部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時，盡量使主軸系統(tǒng)的熱源、散熱面積、導(dǎo)熱途徑以及零件質(zhì)量等對主軸軸線對稱，以減小系統(tǒng)的熱變形。4） 熱變形補(bǔ)償。選擇最佳的溫度點(diǎn)，獲得溫度場分布信息以及熱變形趨勢，進(jìn)而構(gòu)建相應(yīng)的熱誤差補(bǔ)償模型，并將其嵌入到數(shù)控系統(tǒng)之中，使其在工況下建立軟件補(bǔ)償方案，減小主軸熱變形對機(jī)床加工誤差的影響。5結(jié)束語將CAK3665數(shù)控車床的主軸作為研究對象，對車床主軸的熱變形誤差進(jìn)行了檢測與研究。1） 運(yùn)用傳熱學(xué)經(jīng)典理論闡述了主軸系統(tǒng)的熱源分布以及傳熱方式，通過紅外測溫技術(shù)和激光測距技術(shù)可方便測量主軸溫升與熱變形。2） 被測車床連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)270min時達(dá)到穩(wěn)定溫升，由于三次測量的環(huán)境溫度不相同，使得各次測量的前、后軸承法蘭盤處的最高溫升值也不相同。并且每次測量中后軸承法蘭盤處的最高溫升值較前軸承法蘭盤處更高。3） 溫度對主軸軸向的熱伸長誤差的影響大于主軸徑向的熱變形誤差，提高主軸軸向的熱態(tài)精度是提高該數(shù)控車床加工精度的主要目標(biāo)。4） 通過對比測量結(jié)果，提出改善車床主軸熱變形誤差的措施，有利于提高車床熱性能與加工精度。參考文獻(xiàn):【相關(guān)文獻(xiàn)】鞠修勇,劉航,黨會鴻，等.加工中心主軸熱誤差建模與檢測技術(shù)研究[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)2015(3):118-119.M.M