A/C數控銑頭熱變形研究

羅和平，汲 軍，張 童，祁勝飛

(1.沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

A/C數控銑頭熱變形研究

羅和平1，汲 軍1，張 童1，祁勝飛2

(1.沈陽機床股份有限公司，遼寧 沈陽 110142；2.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110870)

熱變形式是直接影響直驅式A/C軸數控銑頭加工精度的主要因素。本文分析AC數控銑頭的發熱來源，并進行有限元分析。利用熱紅外成像儀連續測量數控銑頭溫度變化情況，同時用API測量儀測量與銑頭連接的檢棒的變形。根據測得數據，建立模型對熱變形進行了補償。實驗結果可知C軸的發熱和散熱情況對數控銑頭加工精度有很大影響，通過補償系統的建立使誤差降到0.001 56 mm，使數控銑頭的精度有很大的提高。

數控銑頭；熱變形；熱紅外成像；誤差補償

0 前言

五軸聯動數控加工中心用于葉輪、螺旋槳等復雜曲面的加工，反映了高端裝備制造的水平。除了三個移動軸，回轉軸有工作臺回轉與主軸頭回轉兩種方式。前者的主軸結構比較簡單，剛性非常好，但一般承重較小。后者的主軸前端是一個回轉頭，還帶有可繞X軸旋轉的A軸。這種方式主軸靈活，工作臺承重大。根據傳動方式不同，雙擺角銑頭分為同步帶傳動、齒輪式傳動、蝸桿傳動和力矩電動機直接驅動。

直驅式雙擺角銑頭結構緊湊，擺角范圍廣，但力矩電機工作時繞組產生的熱量是影響數控銑頭加工精度的一個關鍵問題，對銑頭的工作性能和精密運動有很大的影響。由于C軸帶動A軸部分做360°轉動，并且C軸結構復雜，作為A軸傳動的上一級，C軸誤差對A軸影響較大。本文研究數控銑頭熱變形，分析數控銑頭的熱源及散熱情況，并進行有限元分析。利用熱紅外成像儀連續測量數控銑頭溫度變化情況，同時用API測量儀測量與銑頭連接的檢棒的變形。根據測得數據，建立模型對熱變形進行補償。

1 A/C軸銑頭熱誤差來源

如圖1所示，雙擺角銑頭主要由C軸和A軸兩個部分構成。C軸的齒盤，與A軸的齒盤嚙合，使其繞C軸±360°旋轉。同時電主軸繞A軸擺動。

圖1 數控銑頭剖面圖

受不同熱源的影響， A/C 軸數控銑頭產生的主要誤差如表1所示。

表1 A/C軸數控銑頭熱誤差

采用如圖2所示的檢棒與5個位移傳感器的組合來檢測。

圖2 熱變形測量傳感器

2 基于ANSYS的熱誤差分析

冷卻水與空氣溫度分別為26℃與20℃。通過穩態熱分析，計算求得：C軸力矩電機生熱功率 2 591 W；冷卻水換熱系數6 920 W/m2·℃；殼與空氣對流換熱系數12.5 W/m2·℃。

C軸殼體材料為45號鋼，物理特性參數見表2。

表2 物理特性表

在熱-結構耦合分析中把C軸物理參數代入ANSYS命令流中，設定 Steady-State 選項、輸出控制、載荷步控制等，進行求解計算。ANSYS的 C 軸溫度場分析結果如圖 3所示。

圖3 銑頭C軸溫度場分布圖(剖面圖)

由上圖可知，力矩電機的定子處溫度較高，在65℃左右時，C軸達到了穩態熱平衡。

3 熱誤差補償

3.1 補償系統數學模型的建立

根據機床運動副誤差運動學原理，由小誤差假設得綜合熱誤差運動矩陣[8]：

式中，Δθx為銑頭在X方向的轉角誤差；Δθy為銑頭在Y方向的轉角誤差；Δθz為銑頭在Z方向的轉角誤差；Δλx為銑頭在X方向的位置誤差；Δλy為銑頭在Y方向的位置誤差；Δλz為銑頭在Z方向的位置誤差。

3.2 實驗驗證

實驗所需的設備有：直驅式A/C軸數控銑頭、ThermoVision A40紅外成像儀、API測量儀、連接API測量儀帶有傳感器的測量支座，安裝在數控銑頭上的檢棒。實驗開始時，控制銑頭電機使其帶動C軸轉動，并使其轉速維持在5 000 r/min，不間斷測試3 h以上，每間隔5 min采集圖像信息并分析主軸旋轉過程中熱的分布情況和銑頭隨時間的溫度變化情況，同時根據API測量儀測量每次檢棒的變形，分析溫度變化產生的誤差(圖4)。在實驗過程中，首先需要測量在常溫狀態下未加入補償系統的C軸的溫度和傳感器檢測的位移值。主軸轉動的同時，帶動A、C軸同時運動，分別測量加入補償系統和不加入補償系統的溫度分布情況和位移傳感器的值。

圖4 熱變形測量

補償前，Z向最大值為0.369 54 mm、最小值為0.355 60 mm，差值為0.013 94 mm。 圖5所示為補償后位移傳感器數值，20 min后基本趨于平穩，在0.355 mm附近微小波動，變化范圍為0.001 41 mm。

圖5 補償后位移傳感器數值

4 結論

熱變形式是直接影響直驅式A/C軸數控銑頭加工精度的主要因素。本文分析數控銑頭的熱源及散熱情況，建立模型對熱變形進行了補償。

(1)通過有限元熱分析方法，分析了直驅式A/C軸數控銑頭的發熱來源，結果顯示C軸力矩電機定子處的溫度較高，產生熱變形較大，對加工精度有影響。

(2)通過ThermoVision A40紅外成像儀和API位移傳感器連續測量銑頭溫度分布情況和檢棒位移隨溫度變化情況。

(3)實驗結果顯示C軸的發熱和散熱情況對數控銑頭加工精度有很大影響，通過補償系統的建立使熱變形誤差從0.013 94 mm 降到 0.001 56 mm。

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Study on thermal deformation of A/C CNC milling head

LUO He-ping1,JI Jun1,ZHANG Tong1，QI Sheng-fei2

( 1. Shenyang Machine Tool Co.,Ltd.,Shenyang 110142,China;2.Shenyang University of Technology,Shenyang 110870,China)

The thermal deformation is a main factor which affects the machining accuracy of direct drive A/C axis CNC milling head. In this paper, the heat source and heat dissipation of CNC milling head were analyzed, and the finite element analysis was carried out. The temperature change of CNC milling head was continuously measured by the thermal infrared imager, and the deformation of rod connected with the milling head was measured by the API measuring instrument. According to the measured data, the model was used to compensate the thermal deformation. The experimental results showed that the heating and cooling of the C axis had a great influence on the machining accuracy of the CNC milling head, and the error was reduced to 0.001 56 mm by building the compensation system.

CNC milling head;thermal deformation;thermal infrared imaging;error compensation

TP391

A

1001-196X(2017)05-0035-03

2017-04-28；

2017-06-27

國家科技重大專項(2013ZX 04001-031)

羅和平(1979-)，男，高級工程師，主要研究方向：加工單元集成技術。