吳珊，孔令飛，習(xí)璐，張沛

（1.咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院，咸陽 712000；2.西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，西安 710048）

引言

隨著設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、控制等技術(shù)的發(fā)展，幾何誤差、刀具誤差、安裝誤差等因素對(duì)機(jī)床精度的影響在逐漸減小，而由熱變形引起的熱誤差反而越發(fā)明顯[1]。英國(guó)伯明翰大學(xué)皮克林尼克調(diào)查表明機(jī)床在精密加工過程中熱誤差能夠占到總誤差的（40～70）%[2]。高端機(jī)床的精密加工熱誤差甚至達(dá)到了70 %以上[3]。熱誤差已成為解決機(jī)床加工精度亟需解決的問題。

縱切自動(dòng)車床作為一種高端數(shù)控機(jī)床，其自動(dòng)化和智能化程度高、通用性強(qiáng)[4,5]，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、醫(yī)療、半導(dǎo)體制造檢測(cè)等領(lǐng)域的軸類精密零件加工[6]。車床的內(nèi)外熱源引起車床結(jié)構(gòu)熱變形是熱誤差的主要因素。外部熱源的影響主要來源于變化的環(huán)境條件，如車間空調(diào)的開啟、晝夜或季節(jié)更替。環(huán)境溫度的變化導(dǎo)致熱量通過車床床身流動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生非線性變形[7]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 230-3：2007[8]中定義了測(cè)定機(jī)床熱效應(yīng)的環(huán)境溫度變化誤差（ETVE）試驗(yàn)，給出了立式加工中心、臥式加工中心以及斜床車削中心的ETVE 試驗(yàn)的典型裝置，但是缺少針對(duì)縱切自動(dòng)車床ETVE 試驗(yàn)的說明。本文介紹了一種以RTS20 瑞士型縱切自動(dòng)車床為對(duì)象的ETVE 試驗(yàn)裝置，通過該裝置開展了恒主軸轉(zhuǎn)速變環(huán)境溫度、變主軸轉(zhuǎn)速變環(huán)境溫度等不同工況的熱誤差試驗(yàn)，對(duì)環(huán)境溫度對(duì)熱誤差的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，為機(jī)床熱誤差的控制提供依據(jù)。

1 ETVE 試驗(yàn)設(shè)置

1.1 試驗(yàn)裝置

基于縱切自動(dòng)車床的ETVE 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖1 所示。其中，試驗(yàn)車床為RTS20 瑞士型數(shù)控縱切自動(dòng)車床。為了準(zhǔn)確獲取車床溫度分布及環(huán)境溫度變化，共布置11個(gè)Pt100 磁吸式溫度傳感器采集溫度數(shù)據(jù)（測(cè)量范圍：（-60～260）℃，精度：±0.15 ℃），采用日置 8423 存儲(chǔ)數(shù)據(jù)記錄儀收集記錄所有溫度數(shù)據(jù)。具體傳感器布置情況見表1。

表1 溫度傳感器布置

圖1 縱切自動(dòng)車床的ETVE 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)示意圖

由于該車床刀柄只在“X-Y”型平面中運(yùn)動(dòng)，因此采用兩個(gè)SDVN08-4 型氣動(dòng)接觸式位移傳感器測(cè)量刀具相對(duì)于測(cè)試芯軸在X、Y 方向的熱誤差，如圖2 所示。易測(cè)MDG-8 電感測(cè)微儀用于記錄位移傳感器的測(cè)量值。實(shí)驗(yàn)過程中，每5 min 測(cè)量一次熱誤差，單方向測(cè)量時(shí)長(zhǎng)為8 s，X 與Y 方向測(cè)量時(shí)長(zhǎng)共16 s，選取中間穩(wěn)定值作為結(jié)果，同時(shí)采集各溫度點(diǎn)數(shù)據(jù)，測(cè)量結(jié)束主軸仍以設(shè)定轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，直至下一次測(cè)量。

圖2 氣動(dòng)接觸式位移傳感器測(cè)量X、Y 方向熱誤差

1.2 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)分別在相同主軸轉(zhuǎn)速且不同環(huán)境溫度、變化主軸轉(zhuǎn)速且變化環(huán)境溫度兩種條件下進(jìn)行。具體試驗(yàn)工況見表2。工況1 與工況2 為相同主軸轉(zhuǎn)速且不同環(huán)境溫度的試驗(yàn)，試驗(yàn)主軸轉(zhuǎn)速設(shè)置為最大轉(zhuǎn)速（10 000 rpm）的50 %，即5 000 rpm，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)8 h，試驗(yàn)過程中空調(diào)始終保持開啟狀態(tài)。工況3 為變轉(zhuǎn)速變環(huán)境溫度試驗(yàn)，主軸以隨機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速圖譜見圖3。為還原車床實(shí)際使用工況，將車間空調(diào)只在每日早上8∶30～下午5∶30 開啟。為觀察到晝夜環(huán)境溫度的變化，連續(xù)采集48 h 的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表2 試驗(yàn)工況

圖3 隨機(jī)轉(zhuǎn)速圖譜

2 環(huán)境溫度影響試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 恒轉(zhuǎn)速環(huán)境溫度影響試驗(yàn)

工況1 的各溫度傳感器采集的溫度數(shù)據(jù)記錄為T1～T9，溫度曲線如圖4 所示。工況2 的溫度數(shù)據(jù)記錄為T1′～T9′，各溫度采集點(diǎn)的溫升如圖5 所示。圖6對(duì)比了9 個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)在工況1 與工況2 條件下的溫差，溫差分別記錄為Td1～Td9。圖7 對(duì)比了工況1 與工況2的X、Y 方向的熱誤差。

圖6 各溫度測(cè)點(diǎn)在工況1 與工況2 條件下的溫差

圖7 工況1 與工況2 的X、Y 方向的熱誤差對(duì)比

從圖4～6 可以看出，在主軸相同轉(zhuǎn)速、機(jī)床相同開啟條件下，車床各部分溫升受環(huán)境溫度影響，環(huán)境溫度T4′高于T4，則T1′～T9′分別高于T1～T9，即環(huán)境溫度升溫越高，各部件升溫也越高。圖7 的熱誤差對(duì)比顯示，無論是X 方向還是Y 方向的熱誤差也均依賴于環(huán)境溫度變化。在8 h 實(shí)驗(yàn)過程中，T4’與T4 最高溫差為1.18 ℃，T4′比T4 總體溫升高了0.45 ℃，對(duì)應(yīng)的X 方向熱誤差增加了4.11 μm，這對(duì)于精密縱切車床具有重要意義。此外，還可以看到Y(jié) 方向熱誤差明顯小于X 方向，且小于考慮是由于RTS20 縱切自動(dòng)車床的Y 軸近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)導(dǎo)致。

2.2 變轉(zhuǎn)速環(huán)境溫度影響試驗(yàn)

工況3 的隨機(jī)轉(zhuǎn)速下各溫度采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)如圖8（a）所示，隨機(jī)轉(zhuǎn)速下的熱誤差變化如圖8（b）所示，深灰色部分表示主軸轉(zhuǎn)速，淺灰色背景表示空調(diào)開啟的時(shí)間段。由圖8 可知，隨機(jī)轉(zhuǎn)速下的溫度與熱誤差呈周期性變化，其變化周期與轉(zhuǎn)速的變化周期一致?？梢悦黠@看出轉(zhuǎn)速為8 000 rmp 時(shí)主軸前、后軸承等部位溫升最快，周期性溫度最高點(diǎn)均在高轉(zhuǎn)速末端處，但最大熱誤差并不出現(xiàn)在高轉(zhuǎn)速時(shí)。同時(shí)，觀察到轉(zhuǎn)速從8 000 rmp 調(diào)整到2 000 rmp 時(shí)熱誤差并沒有降低，而是以更快增速增長(zhǎng)，直到2 000 rmp 末端達(dá)到頂峰，最高可達(dá)28.69 μm，當(dāng)轉(zhuǎn)速由2 000 rmp 調(diào)整到6 000 rmp 時(shí)熱誤差反而降低，考慮是異步交流電機(jī)在低轉(zhuǎn)速時(shí)熱能耗較大導(dǎo)致。試驗(yàn)結(jié)果明顯可以看出，空調(diào)開啟后各測(cè)點(diǎn)溫度有明顯降低，最高降幅可達(dá)3 ℃，熱誤差隨之也有明顯降低趨勢(shì)，最高降幅達(dá)6 μm。此外，通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，車床在開啟后各溫度測(cè)點(diǎn)會(huì)快速升溫，而后進(jìn)入熱穩(wěn)定期，但是盡管在機(jī)床預(yù)熱后，熱誤差也是非平穩(wěn)的，熱誤差與主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度等工況的變化呈非線性動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。

圖8 工況3 的隨機(jī)轉(zhuǎn)速下溫度與熱誤差呈周期性變化

4 結(jié)論

本文通過縱切自動(dòng)車床環(huán)境溫度變化誤差（ETVE）試驗(yàn)裝置，進(jìn)行了恒主軸轉(zhuǎn)速變環(huán)境溫度與變主軸轉(zhuǎn)速變環(huán)境溫度的熱誤差試驗(yàn)，并對(duì)環(huán)境溫度對(duì)熱誤差的影響進(jìn)行了研究分析。試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

1）在相同主軸轉(zhuǎn)速下，環(huán)境溫度變化影響著車床結(jié)構(gòu)各部位的溫升，進(jìn)而影響熱誤差。

2）在隨機(jī)主軸轉(zhuǎn)速下，主軸軸承等溫度測(cè)點(diǎn)的溫升受轉(zhuǎn)速變化的影響，熱誤差的增長(zhǎng)與關(guān)鍵測(cè)點(diǎn)溫度具有相同變化周期，但不具有相同變化趨勢(shì)，即溫度快速升高期熱誤差并不一定也正向增長(zhǎng)。

3）車間空調(diào)是否開啟對(duì)熱誤差有較大影響。

4）盡管在機(jī)床預(yù)熱后，熱誤差也是非平穩(wěn)的，熱誤差與主軸轉(zhuǎn)速、環(huán)境溫度等工況的變化呈非線性動(dòng)態(tài)變化關(guān)系。