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【摘要】精密加工中，數控機床主軸熱誤差對加工精度的影響不容忽視。文章對數控車床主軸軸承摩擦熱源處的溫度變化與主軸轉速之間的關系進行了試驗，測量了主軸轉速與主軸熱源處溫度變化及主軸徑向圓跳動的數據，通過圖表進行了分析，并對引起主軸溫度變化和誤差變形原因進行了分析。數控車床主軸溫度在開機前30分鐘變化較快，總體變化快慢和速度有關，溫度分布和負載有關，以上結論對數控車床的主軸設計和數控加工過程具有參考意義。

【關鍵詞】加工精度；數控車床主軸；熱誤差；熱變形

在零件加工過程中，機械加工精度是加工所要保證的。數控機床作為加工母機其加工精度決定了零件的精度。數控加工的誤差主要因為加工過程中的各種變形引起刀具和工件之間的實際位置相對理想位置產生偏差，從而引起機械加工精度的誤差。數控加工過程是一個動態過程，隨著主軸轉速、被吃刀量、進給速度等加工要素的改變，加之加工時間的不同，數控機床的變形狀態會隨著改變，從而引起加工誤差也隨之改變。要想控制加工誤差就要對加工過程中的誤差的產生原因和誤差大小進行研究和分析。數控機床加工誤差是一個機床各項誤差綜合影響的過程，其中機床的電機、運動副、刀具等的受力變形及熱變形等都對加工精度造成影響。研究表明機床運動副的摩擦熱及力源的發熱對機床的變形有較大的影響。在精加工中，工藝系統受力變形對加工精度的影響與熱變形相比處于次要的地位，減少機床的熱變形，就成為提高機械加工精度的重要手段[1]。在數控機床的熱變形中，主軸熱變形是不容忽視的。因為主軸在數控機床中是保證數控機床工件或刀具旋轉的關鍵機構，如果主軸發生變形那么必然會引起工件和刀具之間相對位置的改變，進而引起工件的尺寸精度、形狀精度及位置精度的誤差。由機床熱變形所引起的加工誤差占總誤差的40%~70%[2]。在保證機床原始精度的情況下，在機床運轉情況下，主軸熱誤差的影響比較大。所以為了保證數控加工精度，研究主軸熱誤差和主軸運轉的變化情況及影響機理尤為重要。學者們對各類數控機床主軸熱誤差的測量、影響及誤差補償等方面進行了大量的研究。如學者們研究了主軸中速連續運轉達到穩定溫升所需時間，并發現溫度對主軸軸向的熱伸長誤差的影響大于主軸徑向的熱變形誤差[3]；通過單站激光跟蹤干涉儀測量方法，采集機床運動軌跡，實時檢測刀具中心點運動中的位置[4]；邢金鵬等對機床主軸在開啟冷卻機與關閉冷卻機狀態下進行熱變形測試實驗，得到主軸在兩種狀態下X、Y、Z軸向熱變形規律[5]；對某數控立式加工中心主軸熱變形進行測試實驗，分析主軸轉速、主軸溫度對機床主軸熱變形的影響[6]；通過實驗方法采集干切削和添加切削液兩種加工環境下的主軸溫度，分析機床主軸電機溫升，切削液、軸向伸長量之間的關系[7]；在熱誤差補償方面，學者們建立了基于多元回歸、神經網絡、遺傳算法等原理的熱誤差補償模型[8-10]。減少主軸熱誤差、提高主軸精度方法很多，根據數控機床的不同方法也不同。最根本的還是要根據主軸的結構和熱誤差的影響結果來采取相應的措施。本文主要研究了數控車床的主軸在不同轉速下溫度的變化情況、主軸徑向圓跳動變化情況及原因分析。因為在待加工零件中，軸類零件是應用很廣的一類典型零件，而數控車床是加工軸類零件的加工母機，其精度在這類零件加工中舉足輕重。

1數控車床主軸溫度及主軸跳動采集方案

對機床主軸的溫度采集要根據主軸上熱源的分布情況來布置溫度傳感器。

1.1數控車床主軸熱源分析

在數控車床中熱源主要分為三大類，即切削熱、機床運動副摩擦熱和動力源的發熱、輻射與周圍環境氣溫變化等其他外界熱源[1]。在以上熱源中對數控車床主軸變形影響最大的是數控車床主軸的運動副摩擦和動力源的發熱，在本文中主要熱源考慮數控車床主軸的軸承和緊挨主軸的刀架伺服電機的發熱。

1.2溫度傳感器的布置和數據采集方案

考慮到數控車床主軸的熱變形受其上的軸承的摩擦運動產生的熱源影響較大，所以將溫度傳感器布置在數控車床的主軸軸承附近。如圖1所示，因為數控車床主軸在主軸箱中封閉，為了反映機床運動的真實散熱情況，不打開主軸箱，采用可吸附溫度傳感器測頭將其吸附在熱源附件。如圖1所示，用溫度傳感器1、2、3分別布置于主軸的前軸承蓋、后軸承蓋、伺服電機等部位，這些部位溫升比較快對變形影響比較大。再布置一個溫度傳感器用來測量環境溫度。通過千分表和標準測量棒來測量不同轉速、不同加工時間情況下，主軸的跳動情況。將千分尺夾持在刀具架上，將￠30標準測量棒夾持在卡盤上，分別測量主軸在不同的轉速、不同的加工時間下，主軸的跳動情況和對應不同狀態下的主軸溫度變化情況。改變數控車床主軸的轉速，根據使用情況分別將轉速設為600rmb/min、1000rmb/min、1500rmb/min、2000rmb/min分別運轉120分鐘，每隔2分鐘采集一次溫度，每30分鐘采集一次主軸徑向圓跳動值并對溫度總結一次。注意觀察每一種運轉情況對應的溫度和主軸跳動變化情況。

2數據分析

2.1熱源溫度數據分析

將初始狀態下各熱源處的溫度值作為初始值并設為零，計算不同轉速下，每隔30分鐘各個熱源部位溫度相對于初始值的變化量。通過折線圖反映溫度變化和主軸運行速度之間的關系，以橫軸為主軸運行時間，單位為分鐘，縱軸為溫度變化值，單位為攝氏度，根據測的時間和溫度變化值通過。得出如圖2所示主軸不同轉速情況下不同熱源部位溫度上升情況。圖中每段折線的斜率反映了溫度上升的快慢。從圖中可以看出，溫度上升變化和主軸轉速成正向關系，主軸轉速快，溫度上升變化快。在主軸轉速為2000rmb/min時，三處熱源的溫度上升的速度都最快；而主軸轉速為600rmb/min時，三熱源處的溫度上升最慢，即熱源處的溫度上升速度隨著轉速的增加和增加。從圖2中還反映出，各熱源處溫度的上升速度隨著運行時間的增加而減緩。不同的主軸轉速下，三處熱源處皆為最開始的30分鐘內溫度上升最快，隨后溫度上升變慢。轉速越快最開始的溫度上升就最快，轉速越慢則溫度上升的速度下降越慢。同時從圖2中還觀察到在四種不同轉速下，三處熱源的溫度變化保持相同的趨勢，但主軸后端軸承處的溫度上升最快，主軸前端軸承處的溫度上升速度次之，伺服電機處的溫度上升最慢。

2.2主軸徑向圓跳動數據分析

在數控車床不運轉情況下測量主軸的徑向圓跳動初值合格，并將其設為0，運轉后每隔30分鐘采集一次數據。數據折線圖如圖3所示，為不同轉速和運轉時間下，主軸徑向圓跳動的變化情況。從圖中折線走勢可以觀察到，在主軸剛剛運轉初期，四種轉速下的主軸跳動皆變大，超出合格范圍。尤其在主軸轉速超過1000r/min時，剛開始運轉前30分鐘，溫度上升速度快，主軸跳動的變化也最大，隨著時間的推移，主軸跳動慢慢變小，最終會達到合格范圍。并且主軸轉速越高，主軸徑向跳動達到合格花費時間越短。

3原因解析

3.1主軸溫度上升變化趨勢及徑向圓跳動變化原因分析

造成溫度變化的原因由主軸結構決定的，本試驗所用數控車床為寶雞機床廠的EK40，是在CAK6140基礎上改裝而來，其主軸的動力源為伺服電機，傳動機構為帶輪，主軸支撐為三對軸承。主軸熱源主要為主軸軸承，造成主軸熱源溫升變化快慢不同和主軸徑向跳動變化的原因為，在主軸旋轉后，軸承摩擦產生熱量，該熱量引起軸承處溫度變化。在機床未啟動時，熱源、主軸及其上機構溫度皆等于環境溫度，在機床運動初期，熱源產生熱量，該熱量主要以傳導方式傳遞，熱傳導速度要比產熱速度慢的多，所以熱源部分升溫很快，造成開機半小時內熱源處溫度上升較快；因為初期設備剛剛啟動，熱源升溫快，根據熱傳導的作用，主軸及其上機構因為熱傳導也引起局部溫度上升，但是因為機構材料、大小、結構、位置不同導致整個主軸部分熱量分布不均勻，所以機床變形不均勻，致使主軸的跳動比較大；當運轉一段時間后，熱源的局部溫度增加了，向周圍的熱傳遞也逐步均勻，所以溫升變慢，主軸變形逐漸變緩，機床主軸機構的在新的熱平衡下達到一種運轉平衡，所以主軸的熱源處溫度增加變緩，主軸的跳動變化減少，主軸的徑向跳動達到合格范圍。

3.2主軸熱源溫度變化不同原因分析

主軸的尾端軸承處溫度之所以大于前端軸承處溫度和本數控車床的主軸上機構布局有關。主軸軸承布局如圖4所示，在其尾端是帶輪，連接伺服電機，主要傳遞主軸旋轉的動力，靠近帶輪處裝有主軸后部軸承，為NN3016K系列的雙列圓柱滾子，主軸中部靠前端裝有一對角接觸軸承，最前端裝有一個NN3016K系列的雙列圓柱棍子軸承。主軸前后端都安裝相同型號的圓柱棍子軸承，根據文獻[11]的研究，機床主軸隨著軸承轉速的增大，軸承總摩擦生熱量增大，隨著軸承外載荷的增大，滾道彈性滯后引起的摩擦生熱增加，軸承總摩擦產生熱量先下降后上升。因為帶輪在主軸后端，所以帶輪傳遞動力的同時也會在主軸后端增加載荷，此載荷會加載在后端的軸承上，所以隨著運轉時間增加會引起后端的齒輪摩擦熱量增加，而本試驗采用的是空轉，所以主軸前端的滾子軸承比起后端軸承負載要小很多，所以軸承所產生熱量受負載影響小，故此造成主軸后端軸承處溫度比前端軸承處溫度上升快。

4結語

分析了不同轉速情況下數控車床主軸軸承處溫度變化情況和主軸徑向圓跳動的變化情況，對溫度變化和主軸跳動變化情況和產生原因進行了分析，得到以下結論：（1）數控車床主軸上溫度變化不均勻引起主軸熱變形，導致主軸產生徑向跳動等誤差。（2）數控車床主軸熱源處溫度變化快慢與主軸轉速和運行時間聯系緊密，主軸轉速快主軸軸承處溫度變化也快；運行初期30分鐘溫度變化最快，隨后溫度變化減慢，最終達到平衡。（3）數控車床主軸的溫度變化除受轉速影響外還受負載的影響，當負載不均勻時，主軸上的溫度變化也不均勻，引起主軸的變形。

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作者：梁艷 單位：西安思源學院