石鑫江

（浙江日發精密機械股份有（yǒu）限公司，浙江紹興 312500）

　　摘　要：作為數控機床的關鍵部件之一，主軸的熱誤差控製對於保（bǎo）證機床的加工精度具有重要作（zuò）用（yòng）。本文首先介紹了臥式數控加（jiā）工中心主（zhǔ）軸（zhóu）熱誤差的測量及數據分析，然後具體探討了主軸熱誤差的控（kòng）製措（cuò）施（shī），以期為相關技術與研究人員提（tí）供參考。

　　關鍵詞：數控加工；中心主軸；熱誤差
　　熱（rè）性能是精密臥式數控加工中心（xīn）工作穩定性和可靠性的重要影響（xiǎng）因素（sù），而主軸是臥式（shì）數控機床加工精（jīng）度控製的主要部位。這是（shì）因為內部（bù）軸承在高速運轉時會（huì）形成大量熱而造成主軸容易出現變形，進而降低加工精度。當前，隨著精密製造技術及自動（dòng）化技術的大量應用（yòng），數控機床也逐漸朝（cháo）向精密化、高（gāo）速度、智能化、高精度方向發展。而機床熱變形引（yǐn）發（fā）的誤差已成為（wéi）精密機床的主要誤差源之一。因此，加強有關臥式數控加工中心主軸熱誤（wù）差問題的研究，對於改善數控機床加工精度具有重要的現（xiàn）實意義。
　　1　臥式（shì）數控加工中心主軸熱誤差（chà）測量與數據（jù）分析
　　1.1主軸熱誤差測（cè）量方法
　　依據主（zhǔ）軸熱誤差綜合特征描述矩陣，可構建由多通道數據采集模塊、溫（wēn）度傳感器、位移傳感器（qì）、熱成像儀和測量數據同步顯示模塊組成的熱誤差測量係統。實際檢測中，可選用接觸與非（fēi）接觸組合方法對加工中心主軸溫度場（chǎng）進行測量。先使用紅外熱成像儀采用非接觸方法測量主軸，同時（shí）使用（yòng）PT100鉑（bó）溫度傳感器（qì）采用接觸式（shì）方法測（cè）量主軸（zhóu）溫（wēn）度場。試驗選用五點法對主軸熱誤差進行檢測，五點法就是在X和Y方（fāng）向分開布（bù）設兩個位移傳感器對各自（zì）方向上的熱傾斜和熱漂移進行測（cè）量，另外在Z方向上布設一（yī）個位移傳感器對軸向伸長進行測量。
　　測試過程中，主軸應依照設定速度進行旋轉，利用數據采集軟件的監控模塊（kuài）對熱變形及溫度場狀況進行實（shí）時監測^[1]。
　　1.2主軸有效測溫點設定
　　數控機床（chuáng）溫度場不同部（bù）位的溫升會對機床熱（rè）變形產生不同程度的影響，而通常會存在一些其溫升變化（huà）會明（míng）顯（xiǎn）影響機床熱誤差的點，此類點稱（chēng）為熱誤差敏感點。測溫點設定時，可采（cǎi）用相關係數法，整體考慮Z熱伸長及Y向熱漂移，由各測溫（wēn）點類別中挑選出對熱位移影響Z明顯的主要測溫點作為此類別的代表點，並將其用於隨後的（de）熱誤差補償建模。
　　1.3主軸熱誤（wù）差數據分析
　　在高低轉速（sù）切換與階梯轉速切換兩類（lèi）試驗工作條件下，即使溫度測點（diǎn）數據綜合走向存在差異，但其隨主軸轉（zhuǎn）速的變化趨勢確實（shí）類似的（de）：在主軸旋轉時間增加、轉速（sù）增加的時候，溫度會同時升高；而在主軸旋轉時間減少、轉（zhuǎn）速降低時，溫度會同時下降；且在某一轉速條件下，溫升會（huì）達到某一極（jí）限值，在（zài）該（gāi）值狀態下，其隨主軸旋轉（zhuǎn）保持均衡（héng）溫（wēn）度場（chǎng）狀態。
　　試驗過（guò）程中同時測（cè）試了速度切換所引發的（de）主（zhǔ）軸熱變形。在主軸溫度場保持恒定後的一段時間內，主軸變形將進入（rù）高限（xiàn）值，切換至下一轉速，以采集特定轉速下的Z大熱變形（xíng）和Z高溫升。根據階梯轉速切換試驗數據，同類試驗工作條件下，熱誤差（chà）具有一致的變化趨（qū）勢，數據可重複，表明加工中心（xīn）主軸具有穩定的（de）熱特性規律。
　　2　臥式數控加工中心主軸熱誤差控製措施
　　2.1控製溫升（shēng）
　　熱源是引發機床熱變形的關鍵因素，調整熱源（yuán）以降低主軸溫升，或采用平衡溫度（dù）場的方法減少變形，是確保機床（chuáng）熱態精度良好的重要舉措。具體操作時，可使用恒溫（wēn）冷卻機（jī）對將流經主軸箱或主軸軸承（chéng）的潤滑油進行冷卻處理，以（yǐ）降低主軸軸承的溫升；或采用水內冷卻或空氣循環冷卻的方法，在（zài）主軸（zhóu）軸承外環或主軸箱內設置換熱（rè）冷卻環（huán）套，使冷卻介質循環進入冷卻套內，以實現冷卻主（zhǔ）軸部件的功能^[2]。
　　2.2機床改造
　　對機床進行設計改造，以盡可能（néng）降低機床對溫度的敏感性，優化設計熱態（tài）結構，是改善數控機床加工精密型的重要措施。熱態結構優化設計是指在某熱源條件下，以參數優化和形狀優化為著力點，找尋科（kē）學有效的剛度分布和溫度分布，對機床機構的熱位移進行控製，確保（bǎo）運轉精度。在設計主軸時，應（yīng）綜合考慮潤（rùn）滑油路布設（shè）、尺（chǐ）寸參數、結構類型、熱源設（shè）置等因素，對大件實施優化設計以降低熱（rè）變形。此外，應對機床關鍵（jiàn）發熱體的導熱（rè）率進行（háng）改進，選用比金屬導體具有更高導熱率的材料以將熱源處的熱量（liàng）傳遞到（dào）其他部位，實現（xiàn）溫度場均衡。
　　2.3誤差補償
　　作為改善機床加（jiā）工精度的一種重要手（shǒu）段，熱誤差補償相比溫度控製和結構優化具有更高的經濟性和穩定性。誤差補償的關鍵（jiàn）是構（gòu）建一個能對誤差預測的數學模（mó）型，在數控（kòng）加工時通過該（gāi）模型預測誤差（chà），以完成實（shí）時補償。熱誤（wù）差補（bǔ）償通常包含預先標定誤差補償和主動誤差補償兩部（bù）分。依據企業實際（jì）狀況，采（cǎi）用溫控（kòng）技術（shù）對主軸熱特（tè）性進行改善，可在不改變動靜態性能的（de）基礎上更好的提升機（jī）床熱態精度。可采用的方法有：
　　（1）當（dāng）主軸單元溫（wēn）度場分布與溫度梯度（dù）不（bú）一致時會導致主軸（zhóu）係統熱不對稱，由此可造成軸承發（fā）生偏斜。主軸設計應（yīng）做好（hǎo）對稱性設（shè）計，也就是熱對稱和結構（gòu）對稱。
　　（2）因製造（zào）或結構（gòu）設計等導致主軸單元內部（bù）熱源難以進行快速冷卻時，可選用冷源法對機床內部（bù）重要熱源熱量進（jìn）行吸收，如利用強製油冷，將螺旋冷卻油槽附設在主軸外周，使用前（qián）後（hòu）軸承改造形成專用冷卻回路等方法來改善（shàn）主軸（zhóu）散熱條件（jiàn）。同時可配合使用熱源法對殘餘熱（rè）誤差進行（háng）校（xiào）正，以實現綜合監（jiān）控（kòng）溫度的目的^[3]。
　　（3）降低主軸發熱量，可將接觸式密封（fēng）替換為非接觸式迷（mí）宮（gōng）密封氣（qì）封，以（yǐ）控製（zhì）係統內部熱源數量（liàng），將鋼珠軸承替換為陶瓷球軸承、使用同步電機代替（tì）異（yì）步電機、將脂潤滑替換為油-氣潤滑、調整軸承預緊（jǐn）力等來減小軸承發熱強度。
　　（4）對（duì）熱位移實施熱補償，可對軸承熱（rè）溫升狀況進行檢測，對部分溫度（dù）不（bú）高部件實施強製升溫，以（yǐ）產生熱對稱，改（gǎi）善主軸熱特性。
　　3　結語
　　主軸熱誤差的（de）控製水平（píng）將直（zhí）接影響臥式數控加工中心的運行質量和（hé）安全性，因此，相關技術與研究（jiū）人員應加強有關臥式數控加工（gōng）中（zhōng）心主軸熱（rè）誤差問題的研究，總結（jié）臥式數控加工中心主軸熱誤差來源及（jí）關鍵控製技術措施，以逐步提升加工（gōng）中（zhōng）心主軸工作精度。
　　參考文獻：
　　[1]仇健，劉啟偉，劉春時，馬（mǎ）曉波，林劍峰.臥式加工中心主軸溫度場預測與熱誤差分布[J].製造技術（shù）與（yǔ）機床，2012，05（35）：57-58.
　　[2]陳鬆，王永青.數控機床（chuáng）熱誤差（chà）測點優（yōu）化模（mó）型預測（cè）與實時補（bǔ）償的研究[J].組合機床與自動化加工技術（shù），2013，06（10）：61-62.
　　[3]李繼堂.加工中心主軸溫升實驗裝置的設計（jì）[J].製造技術與機床，2012，13（14）：74-75.

來源：《山東（dōng）工業技術》2015年10期（qī）