白向娟，李積元，茍衛(wèi)東，梁兆順

（1.青海大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，西寧 810016；2.青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，西寧 810016）

0 引言

數(shù)控銑床主軸部件是銑床的核心功能部件之一，目前，常用的主要有機(jī)械主軸和電主軸兩大類。機(jī)械主軸主要有皮帶式主軸和齒輪式主軸，電主軸主要有直連式電主軸和內(nèi)藏式電主軸[1]。主軸部件在加工過程中，自身零部件的加工質(zhì)量與整體裝配質(zhì)量會(huì)直接影響主軸的回轉(zhuǎn)精度、振動(dòng)、溫度、噪音等綜合性能，從而影響整機(jī)的性能。目前一些文獻(xiàn)的研究，就主軸的綜合性能而言，都為某個(gè)參數(shù)的單一測試，且與主軸的實(shí)際性能有一定的出入。

為了得到主軸的綜合性能參數(shù)，文章通過對(duì)數(shù)控銑床機(jī)械加工過程的研究，提出了一種針對(duì)數(shù)控銑床主軸綜合性能多參數(shù)集成化測量的測試評(píng)價(jià)方法，該方法結(jié)合本課題組設(shè)計(jì)的主軸檢測平臺(tái)，對(duì)主軸部件的振動(dòng)、溫度、噪音、回轉(zhuǎn)精度、剛度、拉刀力、液壓泄漏、空載功率等性能參數(shù)進(jìn)行檢測和綜合分析，通過對(duì)數(shù)控銑床主軸部件進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，建立全面、系統(tǒng)、綜合的主軸性能評(píng)價(jià)體系。

1 主軸部件綜合性能參數(shù)

經(jīng)查閱相關(guān)主軸部件的研究資料，依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[2～6]以及影響主軸性能的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，通過在工廠實(shí)習(xí)過程中的調(diào)研，確定了主軸部件的評(píng)價(jià)參數(shù)如表1所示。

2 主軸部件各性能參數(shù)檢測方法

在對(duì)主軸整體性能的測試過程中，分別同時(shí)對(duì)主軸的各個(gè)性能參數(shù)進(jìn)行測量，最后將所有性能參數(shù)進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，測試原理如圖1所示。

2.1 回轉(zhuǎn)精度

主軸在加工工件的過程中，回轉(zhuǎn)精度的高低對(duì)加工件的圓柱度、形狀誤差精度有很大的影響。主軸的回轉(zhuǎn)精度就是主軸瞬間回轉(zhuǎn)中心線的空間位置相對(duì)于理想中心線的位置的偏離，其回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)誤差有徑向跳動(dòng)、軸向竄動(dòng)和角度擺動(dòng)三種形式[7]。目前，國內(nèi)外比較普遍的測量方法是單點(diǎn)法、兩點(diǎn)法及基于虛擬儀器測試法等。單點(diǎn)法是只在回轉(zhuǎn)主軸的一個(gè)敏感方向安裝傳感器進(jìn)行測量的方法，其只能用于低速運(yùn)轉(zhuǎn)的主軸回轉(zhuǎn)精度測量；兩點(diǎn)法是主軸在回轉(zhuǎn)過程中，在主軸兩個(gè)相互垂直的方向?qū)剞D(zhuǎn)誤差進(jìn)行測量的過程；基于虛擬儀器測試法是在LabVIEW軟件中編寫程序，通過數(shù)據(jù)采集、處理最終測得主軸的回轉(zhuǎn)精度數(shù)據(jù)。本文對(duì)回轉(zhuǎn)精度的測量采用五點(diǎn)法，在電主軸不同轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，在主軸遠(yuǎn)軸端、近軸端的兩對(duì)相互垂直的方向及主軸軸向端面的五個(gè)方向?qū)χ鬏S的回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行測量，即測量主軸兩個(gè)相互垂直方向上的兩組位移變化量以及端面跳動(dòng)的位移變化量，如圖2所示。

表1 主軸部件檢測項(xiàng)目

圖1 檢測原理圖

圖2 回轉(zhuǎn)精度測量點(diǎn)的位置分布

通過五點(diǎn)法將主軸回轉(zhuǎn)精度的數(shù)據(jù)采集后，分離出主軸回轉(zhuǎn)精度誤差，得到特定轉(zhuǎn)速下誤差測試結(jié)果圖，再采用最小二乘法來評(píng)估主軸圓圖像的半徑差，被測得主軸的輪廓上的點(diǎn)到最小二乘圓圓心的距離為：

其中，xi，yi為最小二乘圓的直角坐標(biāo)，半徑為R。根據(jù)幾何關(guān)系可知：

其中，ri為主軸實(shí)際外形輪廓上各點(diǎn)到坐標(biāo)原點(diǎn)的距離。最后求得最小二乘法圓度誤差為：

從而得到主軸的回轉(zhuǎn)誤差值。回轉(zhuǎn)精度值在國家標(biāo)準(zhǔn)要求以內(nèi)即可。

2.2 振動(dòng)

主軸的振動(dòng)會(huì)影響加工工件的表面粗糙度、刀具的磨損、加工噪聲等危害[8]，而在加工過程中主軸振動(dòng)是不可避免的[9]，同時(shí)主軸振動(dòng)機(jī)理比較復(fù)雜，影響因素眾多[10]。而由自身原因造成的強(qiáng)迫振動(dòng)是主軸加工過程中最主要的振動(dòng)形式，如軸承的松動(dòng)、刀具的安裝不到位、電機(jī)回轉(zhuǎn)不平衡和主軸安裝精度不高等都會(huì)引起主軸在加工過程中的振動(dòng)問題。主軸的振動(dòng)類型可分為徑向振動(dòng)、軸向振動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)三種類型。反映振動(dòng)量的物理量主要有加速度、位移和速度[11]。

圖3 振動(dòng)測量點(diǎn)的位置

本文對(duì)主軸振動(dòng)的測量，是在電主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，分別對(duì)電主軸的軸向和徑向的位移量進(jìn)行測量并記錄。由于電主軸支承刀具和工件的部位最能反映主軸的振動(dòng)量，因此為了保證測量精度，測量點(diǎn)選取a、d兩點(diǎn)，如圖3所示。通過對(duì)軸徑向位移量的采集，模擬出振動(dòng)頻譜曲線圖，從而測得不同轉(zhuǎn)速下電主軸的振動(dòng)值，得到的振動(dòng)值應(yīng)符合以下的機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)值，如表2所示。

表2 機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)振動(dòng)值

2.3 溫度

主軸在銑削加工過程中，由于內(nèi)部電機(jī)發(fā)熱、軸承滾動(dòng)摩擦發(fā)熱、潤滑油摩擦熱等因素的影響，其自身的溫升會(huì)逐漸上升[12]。如不及時(shí)散熱會(huì)導(dǎo)致主軸內(nèi)部軸承預(yù)緊力的變化、軸承潤滑失效、軸心產(chǎn)生熱變形，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致主軸失效。電主軸的熱源主要有軸承發(fā)熱、轉(zhuǎn)子發(fā)熱以及切削熱。在主軸發(fā)熱過程中，軸承發(fā)熱和轉(zhuǎn)子發(fā)熱是主要的來源，而主軸椎孔離前軸承與轉(zhuǎn)子最近，與主軸發(fā)熱溫度最接近，因此要測量主軸的溫升，就要在不同轉(zhuǎn)速下分別監(jiān)測主軸椎孔內(nèi)的溫度變化。測點(diǎn)位置選取主軸前端端面的b、c兩點(diǎn)處，如圖4所示。

圖4 溫度測量點(diǎn)的位置

對(duì)采集的錐孔溫升曲線圖進(jìn)行數(shù)據(jù)保存并滿足如圖5所示。

圖5 主軸時(shí)間-溫度曲線圖

主軸軸承達(dá)到穩(wěn)定溫度時(shí)，其溫度和溫升不應(yīng)超過表3的規(guī)定。

表3 主軸軸承溫升規(guī)定

2.4 噪音

在主軸加工工件過程中，噪音主要來源于軸承、齒輪等傳動(dòng)件以及切削產(chǎn)生的噪音，一般負(fù)載越大，噪音越大。當(dāng)噪音超過一定值時(shí)，就會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生危害。主軸噪音的測量采用三點(diǎn)包絡(luò)法進(jìn)行測量。測量點(diǎn)位于主軸的中心線所在的平面內(nèi)。本文中測量點(diǎn)位置沿機(jī)床周邊布置，取機(jī)床正面、后面、側(cè)面共三個(gè)位置作標(biāo)準(zhǔn)測量點(diǎn)位置，如圖6所示。以測得的最大噪聲為主軸的噪音值。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，主軸在空運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一般機(jī)床噪聲聲壓級(jí)不應(yīng)大于85bB，精密機(jī)床噪聲聲壓級(jí)不應(yīng)大于75dB。通過采集的數(shù)據(jù)判斷主軸的噪音值是否在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，從而保證機(jī)床的正常運(yùn)行。

圖6 噪音測量點(diǎn)的位置

根據(jù)表4，對(duì)所測電主軸的噪聲值進(jìn)行修正記錄。

表4 電主軸噪聲檢測值修正

2.5 拉刀力

拉刀機(jī)構(gòu)是主軸的關(guān)鍵部件[13]，拉刀力的大小直接影響刀具定位可靠性，拉刀力過小則會(huì)導(dǎo)致刀套松動(dòng)影響加工質(zhì)量，拉刀力過大又會(huì)導(dǎo)致主軸椎孔的變形等問題。在拉刀力測量過程中，當(dāng)拉刀時(shí)，用測量裝置將碟形彈簧的拉刀力通過壓力傳感器測量并顯示在顯示儀上，從而測出主軸的拉刀力。

2.6 剛度

主軸的靜剛度對(duì)整個(gè)機(jī)床的靜剛度影響較大，其反映了機(jī)床抵抗外載荷的能力[14]，通常用在施加力F的作用下主軸產(chǎn)生的變形量來表示。主軸部件的靜剛度越大主軸端部的變形越小[15]，加工件的精度和表面光潔度就越好。為獲得主軸在加工工件時(shí)所能承受的最大載荷，對(duì)主軸進(jìn)行剛度檢測，在檢測過程中用加載棒來代替刀具。在電主軸靜止時(shí)，通過加載裝置給加載棒分別在徑向和軸向分級(jí)施力/撤力，在施力的過程中，通過加載裝置上的力傳感器檢測施加力的大小，位移傳感器分別對(duì)加載棒的軸徑向的變形量進(jìn)行測量，做好加載力與變形量的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，最后測得不同加載力下電主軸的靜剛度值，得到剛度的量化數(shù)據(jù)及曲線。載荷與變形的關(guān)系圖滿足如圖7所示。

圖7 載荷-變形圖

施力點(diǎn)及測點(diǎn)位置的選取：1）測徑向剛度時(shí)，施力點(diǎn)為靠近加載棒伸出端的極限位置如圖8中F1點(diǎn)所示，測點(diǎn)位于施力點(diǎn)對(duì)稱于軸心線的位置如圖8中B1點(diǎn)所示。2）測軸向剛度時(shí)，施力點(diǎn)應(yīng)盡量靠近軸心線如圖8中F2，測點(diǎn)位于加載棒軸向端面的邊緣極限位置如圖8中B2點(diǎn)所示。

圖8 測量靜剛度施力點(diǎn)及測點(diǎn)位置

3 檢測平臺(tái)

根據(jù)檢測項(xiàng)目及檢測方法，檢測主軸部件性能參數(shù)用主軸部件綜合檢測平臺(tái)[16]，如圖9所示。平臺(tái)主要包括T型工作臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載裝置、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及其執(zhí)行件、冷卻潤滑系統(tǒng)等。

其加載系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸軸向和徑向兩個(gè)方向的分級(jí)加載和卸載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各種型號(hào)的傳感器及其固定裝置、工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)處理分析軟件組成。其中傳感器固定裝置采用Z型裝置，能安裝固定傳感器，并保證傳感器在X、Y方向的測試的軸心與電主軸軸心相重合。整個(gè)平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)針對(duì)不同規(guī)格的主軸進(jìn)行加載和數(shù)據(jù)采集。

測試時(shí)，只要將主軸單元與主軸箱的裝配體完全固定在T型工作臺(tái)上，并與控制系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等設(shè)備相連接，即可在線實(shí)時(shí)測量和分析，并將測試結(jié)果記錄下來，生成試驗(yàn)報(bào)告。試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)可存貯和輸出，供以后查詢和管理。

圖9 測試平臺(tái)

4 試驗(yàn)檢測分析

下面以剛剛裝配完成的GZ35000-1電主軸為試驗(yàn)檢測對(duì)象進(jìn)行綜合性能測試評(píng)價(jià)。主軸轉(zhuǎn)速18000r/min，主電機(jī)功率26kW，刀柄型號(hào)BT40。對(duì)主軸的溫度、振動(dòng)、噪音、回轉(zhuǎn)精度等性能參數(shù)在主軸綜合性能測試平臺(tái)上進(jìn)行測試，測試結(jié)果如下：

1）溫度

圖10 主軸7000rpm旋轉(zhuǎn)2小時(shí)及降溫的溫度數(shù)據(jù)

如圖10所示，為主軸在7000r/min下旋轉(zhuǎn)兩小時(shí)的溫度數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，剛開始時(shí)電主軸的溫升較為明顯，當(dāng)最高溫度達(dá)到26℃左右后溫度逐漸降低，并隨著時(shí)間的延長溫度逐漸趨于穩(wěn)定，當(dāng)溫度降到12℃左右時(shí)主軸的溫度變化基本達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)。

2）振動(dòng)

圖11 主軸振動(dòng)測試結(jié)果圖

如圖11所示，從1000～10000r/min的轉(zhuǎn)速下，主軸前后端的振動(dòng)值，從圖中可以看出，在3000r/min前，主軸前端的徑向振動(dòng)值要高于軸向振動(dòng)值，隨著轉(zhuǎn)速的提高，徑向振動(dòng)量逐漸與軸向振動(dòng)量相差不大，當(dāng)轉(zhuǎn)速高于8000r/min時(shí)，主軸軸向振動(dòng)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于徑向振動(dòng)值，最大振動(dòng)值達(dá)到3.5mm/s。

主軸后端的徑向振動(dòng)值一直小于軸向振動(dòng)值，且最大振動(dòng)值基本趨于0，而軸向振動(dòng)值隨著轉(zhuǎn)速呈上升趨勢，在8000r/min時(shí)，最大振動(dòng)值達(dá)843mm/s。主軸后端軸承處的振動(dòng)值要高于主軸前端軸承處的振動(dòng)值。經(jīng)過后續(xù)的動(dòng)平衡檢查，發(fā)現(xiàn)主軸未進(jìn)行動(dòng)平衡，因此可能造成主軸振動(dòng)的主要原因之一。同時(shí)由于主軸后端安裝的零部件較多，從而導(dǎo)致主軸后軸承處的振動(dòng)較大。

3）噪音

圖12 主軸10000rpm噪聲測試結(jié)果圖

如圖12所示，為主軸在10000r/min下旋轉(zhuǎn)1小時(shí)的噪音值數(shù)據(jù)，從圖中主軸噪聲的測量值可以看出，主軸的噪聲值低于一般精密主軸的噪聲值的范圍，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4）回轉(zhuǎn)精度

經(jīng)數(shù)據(jù)測量，在6000r/min時(shí)的回轉(zhuǎn)精度如圖13所示，用最小二乘法對(duì)回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行評(píng)定，從測量結(jié)果看，主軸在徑向的回轉(zhuǎn)誤差值要大于軸向的回轉(zhuǎn)誤差。

圖13 主軸回轉(zhuǎn)精度測試結(jié)果圖

影響回轉(zhuǎn)精度的因素有：1）測試軸本身及配合零件的精度和裝配質(zhì)量的影響。2）從前面溫度測量結(jié)果來看，溫度變化不大，對(duì)回轉(zhuǎn)精度沒有太大的影響。3）回轉(zhuǎn)精度測量結(jié)果受振動(dòng)影響。由于主軸單元振動(dòng)的原因，主軸回轉(zhuǎn)中心線的空間位置，在每一瞬時(shí)都是變動(dòng)的。從上述的振動(dòng)測量結(jié)果來看，主軸的振動(dòng)對(duì)回轉(zhuǎn)精度的影響很大。

5）拉刀力

圖14 主軸拉刀力測試結(jié)果圖

如圖14所示為主軸拉刀力的15次測量數(shù)據(jù)，從圖中可以看出拉刀力的范圍在5.7～6.4N之間，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。

從以上的試驗(yàn)測試數(shù)據(jù)可以看出，該主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中噪音、溫度和拉刀力符合國家標(biāo)準(zhǔn)，但振動(dòng)、回轉(zhuǎn)精度不在國家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，經(jīng)測試后的檢查發(fā)現(xiàn)該主軸在安裝結(jié)束后未進(jìn)行動(dòng)平衡，從而使主軸的振動(dòng)值偏大，回轉(zhuǎn)精度值也因此受影響，因此該主軸應(yīng)先進(jìn)行動(dòng)平衡再經(jīng)測試合格投入使用。同時(shí)反映出依據(jù)本測試方法可以準(zhǔn)確實(shí)時(shí)集成地測試主軸的綜合性能，對(duì)主軸的性能的評(píng)價(jià)以及優(yōu)化有指導(dǎo)作用。

5 結(jié)論

綜合檢測評(píng)價(jià)方法能夠結(jié)合測試平臺(tái)集成化的對(duì)機(jī)床主軸部件綜合性能準(zhǔn)確地進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證和評(píng)價(jià)，通過測量主軸部件的性能參數(shù)，能夠分析主軸部件的可靠性及使用壽命，并且該檢測評(píng)價(jià)方法具有較高的自動(dòng)化和集成化程度。同時(shí)也反映了主軸綜合性能測試平臺(tái)有方便、準(zhǔn)確和實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)。因此本主軸部件的綜合性能測試評(píng)價(jià)體系對(duì)于數(shù)控機(jī)床主軸部件的性能分析及其優(yōu)化有重要的實(shí)用價(jià)值。