常文芬 陳 野 陳紅昌

(①天津大學(xué),天津 300072；②北京工研精機(jī)股份有限公司，北京 101312)

主軸作為機(jī)床的重要功能部件，其回轉(zhuǎn)精度直接決定了工件加工的精度及表面粗糙度。對(duì)于機(jī)床生產(chǎn)廠家而言，主軸的回轉(zhuǎn)精度是機(jī)床首先要控制和保證的精度。隨著新技術(shù)的發(fā)展，加工中心主軸的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高，如對(duì)于BT30及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到20 000～30 000 r/min，對(duì)于BT40及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到15 000～20 000 r/min，對(duì)于BT50及類似規(guī)格的主軸，其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到10 000～15 000 r/min。測(cè)試機(jī)床主軸的方法主要有靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))測(cè)試法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法。傳統(tǒng)的靜態(tài)(或準(zhǔn)靜態(tài))測(cè)試法主要是檢測(cè)徑向跳動(dòng)/軸向跳動(dòng)，它既不能反映出主軸在高轉(zhuǎn)速下的精度信息，也無(wú)法將不同性質(zhì)的誤差成分區(qū)分開，已經(jīng)無(wú)法滿足高速主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試的需求。而動(dòng)態(tài)法所測(cè)得的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度不僅可以反映主軸在高速下的精度情況，還可以將不同性質(zhì)的誤差分離開，為主軸的生產(chǎn)廠以及主軸使用者提供更具有實(shí)際參考意義的信息。因此，要想預(yù)測(cè)主軸在高速下的回轉(zhuǎn)精度，就要采用動(dòng)態(tài)法來(lái)檢測(cè)主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度，以動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度作為評(píng)價(jià)主軸的標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。

筆者利用美國(guó)Lion Precision公司的主軸誤差分析儀對(duì)普通級(jí)立式加工中心及精密級(jí)臥式加工中心在非切削狀態(tài)下的主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行了檢測(cè)分析，通過(guò)對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得了不同轉(zhuǎn)速情況下主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度，以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機(jī)床的熱特性，為機(jī)床以及主軸功能部件的設(shè)計(jì)提供一些參考和技術(shù)支撐。

1 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的測(cè)試及評(píng)定方法

針對(duì)主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試，我國(guó)已發(fā)布了《GB/T 17421.7-2016 回轉(zhuǎn)軸線的幾何精度》的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中主要討論了主軸誤差運(yùn)動(dòng)的定義和測(cè)試方法。其定義和測(cè)試方法區(qū)別于主軸靜態(tài)下的徑向跳動(dòng)/軸向跳動(dòng)，我們可將其理解為主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度。

(1)主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的內(nèi)涵

對(duì)于一個(gè)回轉(zhuǎn)軸線而言，共包含6項(xiàng)誤差，如圖1所示。其中：EXC為軸線在X方向的徑向誤差，EYC為軸線在Y方向的徑向誤差，EZC為軸向誤差，EAC為圍繞X軸的傾斜誤差，EBC為圍繞Y軸的傾斜誤差，ECC為角定位誤差。

對(duì)于主軸軸線而言，圖1中的X/Y/Z即為機(jī)床的Z軸，EXC、EYC表現(xiàn)為主軸軸線的徑向偏離誤差，EZC表現(xiàn)為軸向偏離誤差，EAC、EBC表現(xiàn)為主軸軸線的傾斜誤差，ECC則由于加工中心主軸無(wú)精確定位要求在測(cè)試中予以忽略。所謂的主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)誤差，即為以上前五項(xiàng)誤差隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而得到的誤差[4-6]。

(2)主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)方法

根據(jù)不同類型的測(cè)試對(duì)象需要采用不同的測(cè)試方法，將測(cè)試方法分為單向測(cè)量法和雙向測(cè)量法。單向測(cè)量法是在主軸的敏感方向上安裝一個(gè)位移傳感器測(cè)得，這種方法適用于固定敏感方向，即工件旋轉(zhuǎn)刀具固定不動(dòng)的一類機(jī)床，如車床。雙向測(cè)量法采用垂直放置的兩個(gè)位移傳感器，這種方法適用于旋轉(zhuǎn)敏感方向，即刀具旋轉(zhuǎn)工件固定不動(dòng)的一類機(jī)床，如鏜床。

以徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度為例，如圖2所示，采用雙向測(cè)量法，垂直于主軸軸線相位差90°放置兩個(gè)非接觸式位移傳感器，通過(guò)對(duì)裝夾在主軸上的測(cè)試球或者測(cè)試棒的測(cè)量，先測(cè)量出回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)在X和Y兩個(gè)方向上的分量，再通過(guò)計(jì)算得到在敏感方向上的總誤差運(yùn)動(dòng)，繪制徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的極坐標(biāo)曲線圖，獲得不同轉(zhuǎn)速下徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度值[4-6]。

(3)主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)儀器

基于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解，采用主軸誤差分析儀對(duì)不同種類的機(jī)床主軸進(jìn)行了回轉(zhuǎn)誤差的測(cè)試，系統(tǒng)中采用雙標(biāo)準(zhǔn)球模擬刀具或工件裝夾在主軸的刀柄中，與待測(cè)主軸一起旋轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差小于50 nm，則測(cè)試球的圓度誤差相對(duì)于主軸的回轉(zhuǎn)誤差，可以忽略不計(jì)。測(cè)試球的位移數(shù)據(jù)由位移傳感器及其驅(qū)動(dòng)器采集并由軟件SEA處理，將所得結(jié)果以數(shù)值及圖像的形式顯示在軟件界面。實(shí)際檢測(cè)儀器如圖3所示。

實(shí)際操作時(shí)，將傳感器按照如圖1a、b所示進(jìn)行安裝，X2和Y2為主軸近端傳感器，X和Y為主軸遠(yuǎn)端傳感器，Z為軸向傳感器。實(shí)際測(cè)試時(shí)，X和X2為不同位置的EXC，Y和Y2為不同位置的EYC，X和X2的差值即為EAC傾斜誤差，Y和Y2的差值即為EBC傾斜誤差，Z為軸向誤差。

2 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)及分析

2.1 用于實(shí)際測(cè)試的加工中心

用于實(shí)際測(cè)試的加工中心如圖4。其中，圖4a為普通級(jí)立式加工中心，采用皮帶傳動(dòng)的主軸，刀柄型號(hào)為BT40，主軸的最高轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，無(wú)冷卻系統(tǒng)，機(jī)床為C型結(jié)構(gòu)；圖4b為精密級(jí)臥式加工中心，采用一體式電主軸，刀柄型號(hào)為BT50，主軸的最高轉(zhuǎn)速為8 000 r/min，采用循環(huán)油冷卻，機(jī)床為倒T型結(jié)構(gòu)。

2.2 主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度

(1)同一主軸不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度變化情況

圖5為加工中心主軸的動(dòng)態(tài)精度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。其中，圖5a為皮帶傳動(dòng)普通級(jí)加工中心主軸，圖5b為電主軸精密級(jí)加工中心主軸。根據(jù)GB/T 18400普通級(jí)加工中心及GB/T 20957精密級(jí)加工中心中對(duì)于主軸徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)的要求，兩軸均可以滿足相應(yīng)等級(jí)主軸的標(biāo)準(zhǔn)要求精度值，并具有很大的精度裕度。

從圖5a可以看出，該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度包括近端和遠(yuǎn)端徑向誤差、軸向誤差均較小(小于2 μm)，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，主軸的近端徑向動(dòng)態(tài)誤差和軸向動(dòng)態(tài)誤差變化較小，但遠(yuǎn)端徑向動(dòng)態(tài)誤差卻變化較大，基本接近10 μm，在5 000 r/min時(shí)達(dá)到了12 μm以上，但在6 000 r/min時(shí)又降至8 μm?？偟膩?lái)看，隨著轉(zhuǎn)速的升高，主軸的動(dòng)態(tài)精度損失較大，尤其是遠(yuǎn)端的精度，實(shí)際加工時(shí)，這將表現(xiàn)為主軸的擺動(dòng)，進(jìn)而影響到工件的輪廓精度及表面粗糙度。

從圖5b可以看出，該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度很高，基本小于2 μm，近端的徑向誤差則小于1.5 μm。隨著轉(zhuǎn)速的升高，該主軸也出現(xiàn)了誤差的變化，但總的來(lái)說(shuō)變動(dòng)值很小：徑向動(dòng)態(tài)誤差近端在3 μm以內(nèi)，遠(yuǎn)端在4 μm以內(nèi)，軸向動(dòng)態(tài)誤差在4.5 μm。與皮帶傳動(dòng)的主軸相比，該電主軸的動(dòng)態(tài)精度更高更穩(wěn)定。

與此同時(shí)，也可以看出圖5a中的機(jī)械主軸其軸端部的精度(包括徑向和軸向精度)更好，而圖5 b中的電主軸遠(yuǎn)端徑向精度更好，軸向精度不理想。兩圖中都可以看出，主軸的徑向動(dòng)態(tài)誤差近端和遠(yuǎn)端具有類似的形狀和變化規(guī)律，兩軸均有動(dòng)態(tài)精度低的轉(zhuǎn)速，機(jī)械主軸表現(xiàn)在3 000 r/min和5 000 r/min時(shí)遠(yuǎn)端徑向誤差的突跳，電主軸表現(xiàn)在6 000 r/min時(shí)軸向誤差的突跳。因此在實(shí)際使用中，應(yīng)避開回轉(zhuǎn)誤差較大的轉(zhuǎn)速，從而獲得較高的加工精度。

(2)不同主軸在相同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的對(duì)比情況

如圖6所示是兩種不同主軸的近端、遠(yuǎn)端徑向動(dòng)態(tài)誤差和軸向動(dòng)態(tài)誤差的對(duì)比情況。其中圖表6a示機(jī)械主軸，圖6b表示電主軸。可以明顯看出在不同的轉(zhuǎn)速下機(jī)械主軸的動(dòng)態(tài)精度變化比較明顯，與電主軸相比其動(dòng)態(tài)精度的穩(wěn)定性差，其誤差值也比電主軸要大，總的動(dòng)態(tài)精度特性比電主軸差。雖然對(duì)于不同精度加工中心而言精度值要求不同，不過(guò)總的來(lái)說(shuō)在實(shí)際制造過(guò)程中仍應(yīng)控制動(dòng)態(tài)精度的穩(wěn)定性。

同時(shí)也可以看出，電主軸由于其零傳動(dòng)的特點(diǎn)，其動(dòng)態(tài)精度相對(duì)穩(wěn)定，而且精度值較高，皮帶傳動(dòng)的機(jī)械軸雖然靜態(tài)精度控制的很好，但實(shí)際工作中卻會(huì)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)使得其動(dòng)態(tài)精度出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

2.3 主軸的偏擺和熱伸長(zhǎng)

在測(cè)試軟件中，將主軸的熱變形定義為熱漂移，包括垂直于軸線方向的偏擺以及沿軸線方向的伸長(zhǎng)。如圖7所示。

圖7a為皮帶傳動(dòng)的機(jī)械主軸在最高轉(zhuǎn)速75%條件下運(yùn)行1 h的熱漂移情況。X向的熱漂移為近端8.45 μm、遠(yuǎn)端9.22 μm，Y向的熱漂移為近端48.7 μm、遠(yuǎn)端51.6 μm，Z向的熱漂移為44.6 μm。X向的熱漂移相對(duì)Y向的小很多，說(shuō)明機(jī)床的左右熱對(duì)稱很好，但前后的熱對(duì)稱比較差，C型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)非常明顯，隨著主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，Y向整體偏移很大。Z向的趨勢(shì)為主軸與工作臺(tái)靠近，說(shuō)明隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加，主軸伸長(zhǎng)；同時(shí)遠(yuǎn)離主軸端部的位置偏擺加大，由于數(shù)值較大，會(huì)影響加工精度。Y向的漂移在近端和遠(yuǎn)端均較大，近端和遠(yuǎn)端的差值不大，表現(xiàn)為整體的漂移，反映了該機(jī)床結(jié)構(gòu)本身的熱特性。從溫升情況來(lái)看，主軸前軸承處的溫升為10 ℃，主軸的溫升情況良好，說(shuō)明軸承選擇合理，軸承的安裝和預(yù)緊等也比較好。

圖7b為電主軸在最高轉(zhuǎn)速75%運(yùn)行2 h的熱漂移情況。前24 min為主軸升速階段，可以看到，至24 min時(shí)升至最高轉(zhuǎn)速75%，分析數(shù)據(jù)時(shí)予以忽略。機(jī)床X向的熱漂移近端9.4 μm、遠(yuǎn)端11.5 μm，Y向的熱漂移為近端1.59 μm、遠(yuǎn)端1.11 μm，Z向的熱漂移為37.5 μm。在48 min后主軸的Z向熱漂移基本在5～6 μm的變化范圍，可以認(rèn)為在48 min鐘后主軸進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)。各軸周期性的“抖動(dòng)”變形與軸承處的溫度變化周期一致，是由恒溫油箱的開停機(jī)造成的。機(jī)床的Y向漂移非常小，X向則向左漂移，經(jīng)過(guò)分析是由于機(jī)床左側(cè)的恒溫油箱周期性向立柱輸送冷風(fēng)，而在機(jī)床立柱右后側(cè)有一臺(tái)其他設(shè)備的空調(diào)外機(jī)向立柱周期性輸送熱風(fēng)，最終導(dǎo)致立柱左右冷熱不均造成的。從溫升情況來(lái)看，主軸前軸承處的溫升為2 ℃，主軸的溫升情況很好，說(shuō)明軸承選擇合理，軸承的安裝、預(yù)緊和冷卻措施等也比較好，冷卻系統(tǒng)起到了很好的作用[7-8]。

兩種主軸相比較可以看出，機(jī)床的對(duì)稱設(shè)計(jì)非常重要，兩種機(jī)床均為左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式，在無(wú)外界熱載荷的情況下，機(jī)床受熱時(shí)對(duì)稱設(shè)計(jì)的X向偏擺很?。粡腨向來(lái)看，立式機(jī)床由于機(jī)床整機(jī)剛度相對(duì)弱于臥式機(jī)床，其Y向偏擺大，熱特性較差。同時(shí)可以看出，采用冷卻措施對(duì)主軸的熱特性影響非常大，主軸的發(fā)熱不僅影響主軸自身的溫升和漂移，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)機(jī)床的姿態(tài)發(fā)生改變，從而更加劇了主軸的偏擺幅度，造成加工精度的損失；但Z向的熱伸長(zhǎng)是不可避免的，冷卻情況下熱伸長(zhǎng)的幅度要比無(wú)冷卻措施的主軸小14 μm，仍起到了很好的作用。為了達(dá)到更高的精度，可根據(jù)以上曲線進(jìn)行Z向的熱補(bǔ)償，則主軸的熱變形可以極大地減小，從而獲得好的加工精度。

3 結(jié)語(yǔ)

從以上比較可以看出，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式、不同冷卻方式的主軸而言，在靜態(tài)精度接近的情況下，其動(dòng)態(tài)精度卻會(huì)產(chǎn)生非常大的變化。同時(shí)，在非切削狀態(tài)下，隨著主軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng)，主軸的偏擺和伸長(zhǎng)也會(huì)加大，較好的機(jī)床結(jié)構(gòu)和較高的剛度有助于機(jī)床獲得較好的熱態(tài)精度和動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度。

對(duì)于加工中心主軸而言，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，僅采用靜態(tài)測(cè)試法已經(jīng)無(wú)法滿足主軸精度的測(cè)試要求，應(yīng)更多關(guān)注主軸的動(dòng)態(tài)精度。利用主軸誤差分析儀對(duì)主軸進(jìn)行非切削、高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)精度和熱特性測(cè)試和分析可以預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度，為機(jī)床的設(shè)計(jì)、伺服調(diào)整、誤差補(bǔ)償?shù)忍峁┖芎玫募夹g(shù)支撐。

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