馬治軍+徐作恒

（沈陽(yáng)機(jī)床股份有限公司沈一車(chē)床廠）

摘 要：本文針對(duì)主軸系統(tǒng)綜合誤差的動(dòng)態(tài)誤差以及熱漂移誤差開(kāi)展了測(cè)試研究，針對(duì)一款改型前后的數(shù)控車(chē)床主軸結(jié)構(gòu)開(kāi)展主軸系統(tǒng)綜合誤差對(duì)比測(cè)試，通過(guò)主軸動(dòng)態(tài)誤差以及熱漂移誤差測(cè)試的數(shù)據(jù)分析，最后得出改型前后兩款主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)，為下階段批量試制提供了試驗(yàn)支撐。

關(guān)鍵詞：數(shù)控車(chē)床；主軸動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試；主軸熱漂移測(cè)試

0 引言

機(jī)床主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中主軸軸承、電機(jī)等由于摩擦而生熱，尤其是高速主軸，其溫升更快、更高。研究表明，影響高速機(jī)床加工精度的主要因素之一是熱誤差，在用現(xiàn)代機(jī)床加工零件的制造誤差中，機(jī)床熱變形所引起的制造誤差可占總誤差的50%，在精密加工中熱誤差是誤差的最大來(lái)源，約占機(jī)床總誤差的40%～70%[1]。而主軸系統(tǒng)的熱變形誤差又是引起機(jī)床熱變形誤差的重要因素。同時(shí)主軸做為數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件，其精度直接影響機(jī)床的加工精度，如果主軸存在誤差，就會(huì)影響到機(jī)床的工作性能和壽命、工件圓度、表面粗糙度和平面度等，同時(shí)回轉(zhuǎn)誤差將導(dǎo)致振動(dòng)和噪聲，這對(duì)精密機(jī)床來(lái)說(shuō)是也是不允許的。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)主軸的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了深入研究。蘇文宇[2]分析了主軸回轉(zhuǎn)誤差的評(píng)價(jià)方法，開(kāi)發(fā)了主軸誤差的試驗(yàn)平臺(tái)并對(duì)回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了測(cè)試。王建敏等[3]建立了單圈非重復(fù)性主軸回轉(zhuǎn)精度評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)主軸回轉(zhuǎn)誤差的最小區(qū)域法評(píng)價(jià)、最小外切圓法評(píng)價(jià)和最大內(nèi)切圓法評(píng)價(jià)。上海交通大學(xué)的洪邁生[4]。采用差動(dòng)式電容式傳感器對(duì)主軸進(jìn)行回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試。彭萬(wàn)歡[4]對(duì)精密主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試過(guò)程中偏心的影響和作用原理進(jìn)行了深入分析，提出一種有效的偏心消除方法。

在本文中，結(jié)合作者實(shí)際工作，針對(duì)某數(shù)控車(chē)床的主軸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)誤差和熱漂移的詳細(xì)測(cè)試，兩個(gè)測(cè)試對(duì)象為改型之前的舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)以及試制的新結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)。通過(guò)測(cè)試將給出新舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)的詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)及分析。

1主軸動(dòng)態(tài)誤差對(duì)比測(cè)試

目前常用的主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試方法主要為千分表測(cè)試法，也就是通過(guò)手盤(pán)的方式使主軸在低速進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，同時(shí)讀取并記錄千分表的數(shù)值，但這種方法最大的問(wèn)題是只能測(cè)試主軸在非常低轉(zhuǎn)速的回轉(zhuǎn)誤差與實(shí)際工作轉(zhuǎn)速差距較大，并且無(wú)法分離出異步誤差和同步誤差。

本文主軸動(dòng)態(tài)誤差的測(cè)試應(yīng)用API主軸動(dòng)態(tài)誤差分析儀來(lái)完成測(cè)試，該儀器采用的是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的先進(jìn)的電容式或電感式傳感器。本系統(tǒng)在主軸轉(zhuǎn)速為每分鐘60000轉(zhuǎn)時(shí)可得到0.1微米的分辨率。該產(chǎn)品具有操作簡(jiǎn)單、功能強(qiáng)大的特性。

試驗(yàn)開(kāi)始前，需對(duì)測(cè)試機(jī)床進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)轉(zhuǎn)熱車(chē)，保證機(jī)床處于比較好的狀態(tài)。

試驗(yàn)中，將機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?00rpm逐步增加到2000rpm。其中，在100rpm～1000rpm之間每次增加100rpm，在1000rpm～2000rpm之間，每次增加200rpm。

在每個(gè)轉(zhuǎn)速下，測(cè)量三次，得到數(shù)據(jù)后取平均值，以使得數(shù)據(jù)真實(shí)可靠，避免錯(cuò)誤數(shù)據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾。

改型前后兩款數(shù)控車(chē)床主軸在不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)誤差各項(xiàng)測(cè)試的平均值分別見(jiàn)下表1、表2.

基于新舊結(jié)構(gòu)主軸的動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試數(shù)據(jù)，圖2-4分別為新舊結(jié)構(gòu)主軸的徑向誤差、軸向誤差以及最小徑向間隙數(shù)據(jù)的對(duì)比。

從整體來(lái)看，新結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)的徑向異步誤差、徑向平均誤差、軸向異步誤差、軸向平均誤差和最小徑向間隙等各項(xiàng)誤差指標(biāo)均優(yōu)于舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)。新結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)改進(jìn)取得了成功。

2 主軸熱漂移誤差對(duì)比測(cè)試

試驗(yàn)開(kāi)始前，數(shù)控車(chē)床已完全冷卻，床體溫度基本和室溫相當(dāng)。

試驗(yàn)中，數(shù)控車(chē)床主軸轉(zhuǎn)速始終保持在2000rpm，升溫試驗(yàn)連續(xù)運(yùn)行150min。在監(jiān)測(cè)主軸箱部位三個(gè)測(cè)點(diǎn)溫度的同時(shí)，測(cè)試主軸徑向和軸向漂移情況，最終得到主軸溫升情況與熱漂移之間的關(guān)系。

新型號(hào)數(shù)控車(chē)床主軸箱部位的溫升情況如圖5所示。

新結(jié)構(gòu)主軸的徑向和軸向熱漂移情況如圖6所示。

新型號(hào)數(shù)控車(chē)床主軸箱最高溫度出現(xiàn)在箱體尾部，即后軸承部位，箱體處溫度達(dá)到了52℃，溫升27℃，主軸Z向熱漂移最大，為0.052mm。

舊型號(hào)數(shù)控車(chē)床主軸箱部位的溫升情況如圖7所示。

舊型號(hào)數(shù)控車(chē)床主軸的徑向和軸向熱漂移情況如圖8所示。

舊型號(hào)數(shù)控車(chē)床的主軸箱最高溫度也出現(xiàn)在箱體尾部，即后軸承部位，箱體處溫度達(dá)到了34.5℃，溫升10.5℃，主軸Z向熱漂移最大，為0.022mm。

對(duì)比新舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)熱漂移情況發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)溫升較大，這與其主軸箱體積減小有關(guān)。另外，新結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)提升了機(jī)床整體剛度，致使軸承預(yù)緊力增大，導(dǎo)致發(fā)熱量較大，溫升較大。舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)主軸箱體積較大，并且是方箱結(jié)構(gòu)，散熱性能好，故溫升較??；

由于新舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)均采用后軸承作為主要受力軸承，后軸承預(yù)緊力大，導(dǎo)致發(fā)熱量大，溫升大，熱漂移從后軸承開(kāi)始，沿主軸向卡盤(pán)方向傳遞，最終引起主軸Z向熱漂移明顯高于徑向熱漂移。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)一款改型前后的數(shù)控車(chē)床主軸進(jìn)行了動(dòng)態(tài)誤差和主軸熱誤差的測(cè)試及對(duì)比。采用動(dòng)態(tài)誤差測(cè)試儀對(duì)新舊結(jié)構(gòu)主軸結(jié)構(gòu)的徑向同步誤差和異步誤差、軸向同步誤差和異步誤差以及主軸最小徑向間距和主軸熱漂移分別進(jìn)行了測(cè)試，給出了詳細(xì)的測(cè)試數(shù)據(jù)。最后，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)主軸結(jié)構(gòu)的改進(jìn)給出了對(duì)比及評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張耀滿(mǎn)，高冠濱，王旭東.加工中心主軸部件及其主軸箱的熱特性有限元分析.組合機(jī)床及自動(dòng)化加工技術(shù)，2005；（4）：43---45.

[2]蘇文宇. 主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)改造及其誤差分析[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)， 2010.

[3]王建敏，戴一帆，李圣怡. 單圈非重復(fù)性主軸回轉(zhuǎn)精度評(píng)價(jià)[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43（2）： 191 -195.

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[5]]彭萬(wàn)歡，趙午云，陶繼忠，等.精密主軸回轉(zhuǎn)誤差測(cè)試的偏心分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008（12）：83-85.國(guó)家重大科技專(zhuān)項(xiàng) （2013ZX04001031）資助