向明新，周 斌

（陜西漢江機(jī)床有限公司，陜西 漢中723003）

裝備應(yīng)用技術(shù)

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床主軸熱特性實(shí)驗(yàn)及分析

向明新，周 斌

（陜西漢江機(jī)床有限公司，陜西 漢中723003）

主軸熱誤差是影響機(jī)床加工精度的一個(gè)主要因素。針對數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床主軸開展了熱特性實(shí)驗(yàn)分析，通過測量階段轉(zhuǎn)速條件下主軸各部分的溫升和熱變形，獲得了主軸的熱特性，并提出了改善主軸熱特性的措施。

主軸；熱特性；誤差

數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床是一種精密磨削壓縮機(jī)螺桿轉(zhuǎn)子的關(guān)鍵工藝裝備，要求加工的螺桿轉(zhuǎn)子齒面廓形精度和表面質(zhì)量很高，磨削場景見圖1.主軸單元作為機(jī)床的主要關(guān)鍵部件，其性能直接影響了機(jī)床加工的精度和穩(wěn)定性。主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，內(nèi)、外熱源的共同作用會(huì)造成其系統(tǒng)溫升而發(fā)熱變形，從而影響機(jī)床工藝系統(tǒng)精度［1，2］。大量實(shí)踐和研究表明，熱誤差是導(dǎo)致機(jī)床精度降低的主要原因之一［3］。因此，研究主軸熱特性對于提高數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床精度具有重要意義。

圖1　數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床磨削轉(zhuǎn)子

1　磨床砂輪主軸系統(tǒng)的熱載荷

（1）砂輪主軸系統(tǒng)的熱源

轉(zhuǎn)子磨床在工作時(shí)，砂輪主軸系統(tǒng)的熱源主要來自的部位有：軸承、磨削工件處以及電機(jī)等。由于強(qiáng)力冷卻中磨削熱能被冷卻液及時(shí)帶走，電機(jī)產(chǎn)生的熱量進(jìn)入主軸系統(tǒng)的又很少，所以在此將軸承摩擦熱作為主軸系統(tǒng)的主要熱源。

（2）砂輪主軸系統(tǒng)的發(fā)熱量

如圖2所示，主軸前端采用兩對角接觸鋼球軸承，采用定位預(yù)緊，油脂潤滑，在主軸后端采用一對深溝球軸承作為輔助支承。依次標(biāo)號為1、2、3、4、5、6.

圖2　砂輪主軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

該砂輪主軸的工作轉(zhuǎn)速為1 500 rpm.經(jīng)公式計(jì)算可知各軸承的發(fā)熱功率，如表1所示。

表1　軸承的發(fā)熱功率

2　主軸熱特性實(shí)驗(yàn)

2.1實(shí)驗(yàn)裝置及實(shí)驗(yàn)方案

采用NI PXI數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取主軸系統(tǒng)溫度及熱變形數(shù)據(jù)，其中測點(diǎn)溫度由磁吸式K型熱電偶測量，主軸熱漂移量由電渦流傳感器測量。實(shí)驗(yàn)在恒溫車間里進(jìn)行，機(jī)床主軸最高轉(zhuǎn)速設(shè)為2 500 r/min，實(shí)驗(yàn)中采用循環(huán)冷卻，設(shè)定溫度35.7℃.用11個(gè)熱電偶獲取機(jī)床主軸的溫度場，測點(diǎn)布置如表2所示。

表2　溫度傳感器布置

采用三個(gè)電渦流傳感器分別測量主軸熱伸長及徑向傾斜，如圖3所示。實(shí)際測量如圖4和圖5所示。

圖3　位移傳感器布置

圖4　主軸溫度場測量

圖5　主軸熱變形測量

2.2實(shí)驗(yàn)步驟

模擬實(shí)際加工過程中主軸轉(zhuǎn)速變化，主軸轉(zhuǎn)速在300 r/min～2 450 r/min范圍內(nèi)按階梯變化，設(shè)定每30 min變換1次轉(zhuǎn)速，共連續(xù)運(yùn)行6 h，停機(jī)后冷卻1 h，如圖6所示。

圖6　主軸階梯轉(zhuǎn)速分布

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

實(shí)驗(yàn)獲得的溫度場如圖7所示，對于電機(jī)和軸承取溫度最高的測點(diǎn)。由圖可知，隨著主軸轉(zhuǎn)速增加，各測點(diǎn)溫度總體不斷增大。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速開始降低，由于結(jié)構(gòu)熱慣性的存在，主軸溫度仍有一定上升，約4 h溫度場達(dá)到熱平衡。其中前軸承發(fā)熱最為嚴(yán)重，最高溫升57.1℃.后軸承和主軸中部的最高溫升分別為39.6℃和44.9℃，前軸承比后軸承產(chǎn)熱高，而且差距隨著轉(zhuǎn)速的提高而增大。由圖6還可以看出，冷卻管出口溫度高于進(jìn)口溫度。另外由于恒溫環(huán)境，環(huán)境溫度變化不大，變化在1～2℃左右。

圖7　主軸溫度場

實(shí)驗(yàn)獲得的主軸熱變形如圖8所示，隨著溫度的升高，主軸熱變形逐漸增大。約經(jīng)過3.3小時(shí)主軸軸向伸長最大為203.98 μm，水平方向最大偏移73.2 μm，兩者之間的差距隨著溫度的增加而加大，3.3 h候兩個(gè)方向的熱變形開始下下降。而主軸在垂直方向先向上“抬頭”，約經(jīng)過3.6 h開始向下傾斜，并一直持續(xù)到停機(jī)。主軸經(jīng)過6 h停機(jī)，主軸軸向和水平方向的熱變形下降明顯，軸向熱變形曲線更為陡峭。而垂直方向繼續(xù)保持向下傾斜，只是變得更為平緩。

圖8　主軸熱變形

4　改善主軸熱特性的措施

為了提高機(jī)床的加工精度，必須采取有效的措施控制主軸溫升，改善主軸熱特性［4，5］：

（1）優(yōu)化主軸設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)主軸的時(shí)候采用熱對稱結(jié)構(gòu)，綜合考慮主軸軸承的選型組配，采用適當(dāng)?shù)念A(yù)緊力對軸承進(jìn)行預(yù)緊，在保證軸承剛度和安裝精度時(shí)防止預(yù)緊力過大造成軸承工作溫度的升高。

（2）改善主軸散熱

采用合理的潤滑以減少軸承溫升，選擇適合的潤滑油及潤滑的方式，同時(shí)采用風(fēng)冷、水冷等對主軸內(nèi)部熱源進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的措施，減少主軸的受熱變形。

（3）主軸熱誤差補(bǔ)償

主軸在設(shè)計(jì)、制造、裝配以后，僅僅依靠提高制造和安裝精度來減少主軸的熱變形是有局限性的，誤差補(bǔ)償是一種可以經(jīng)濟(jì)有效減少機(jī)床產(chǎn)生的誤差，提高零件的加工精度的方法［6，7］。

5　結(jié)束語

本文對數(shù)控螺桿轉(zhuǎn)子磨床主軸的熱特性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明主軸在工作時(shí)發(fā)熱嚴(yán)重的部位依次為前軸承、后軸承和電機(jī)，主軸發(fā)熱后沿空間三個(gè)方向膨脹，其中軸向熱伸長非常明顯。為此本文提出了一些改善主軸熱特性的措施，為提高機(jī)床的加工精度提供了有益的借鑒。

［1］馬馳，楊軍，趙亮，等.高速主軸系統(tǒng)熱特性分析與實(shí)驗(yàn)［J］.浙江大學(xué)學(xué)報(bào):工學(xué)版，2015，49（11）:2092-2102.

［2］陳兆年，陳子辰.機(jī)床熱特性學(xué)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1989.

［3］苗恩銘，高增漢，黨連春，等.數(shù)控機(jī)床熱誤差特性分析［J］.中國機(jī)械工程，2015，（8）：86-89.

［4］茍榮德，楊錦斌.主軸單元溫升控制［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2004，（1）：96-97.

［5］馮偉，張祥雷.機(jī)床主軸溫升試驗(yàn)研究及控制措施［J］.裝備制造技術(shù)，2013，（11）：250-251.

［6］楊建國.數(shù)控機(jī)床誤差綜合補(bǔ)償技術(shù)及應(yīng)用［D］.上海：上海交通大學(xué)，1998.

［7］傅建中，姚鑫驊，賀永，等.數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r［J］.航空制造技術(shù)，2010，（4）：64-66.

Experiment and Analysis on Thermal Characteristics of Spindle of NC Screw Rotor Grinder

XIANG Ming-xin，ZHOU Bin
（Shaanxi Hanjiang Machine Tool Co.，Ltd.，Hanzhong Shaanxi 723003，China）

The spindle thermal error is one of the main factors that affect the machining accuracy of the machine tool.For CNC screw rotor grinder spindle carried out analysis of thermal characteristic experiments，through measuring phase speed under the condition of part of the spindle temperature rise and thermal deformations are obtained by the thermal characteristics of the spindle，and puts forward the measures to improve the thermal characteristics of spindle.

spindle；thermal characteristic；error

TH12

A

1672-545X（2016）07-0199-02

2016-04-10

陜西省地方重大項(xiàng)目資助（2014KTDZ01-04）

向明新（1974-），陜西旬陽人，研究生，高級工程師，主要從事專業(yè)：電氣工程；周斌（1965-），陜西漢中人，本科，教授級高級工程師，主要從事數(shù)控加工裝備的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)研究。