臥式加工中心主軸系統(tǒng)溫度場分布測試與研究

曹富榮 馬曉波 史安娜

（1.沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110159；2.沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，沈陽 110142）

隨著機(jī)械制造技術(shù)向高精度、高自動化方向發(fā)展，人們對數(shù)控機(jī)床加工精度的要求越來越高。在加工過程中，受切削熱、電氣部件發(fā)熱、機(jī)床運(yùn)動部件摩擦以及環(huán)境溫度變化等因素的影響，數(shù)控機(jī)床工作過程中非常容易產(chǎn)生誤差，其中熱誤差成為當(dāng)前數(shù)控機(jī)床最大誤差源之一，在機(jī)床總的加工誤差中占40%～70%[1]。熱誤差主要是由于溫度場分布不均勻而形成的，因此對數(shù)控機(jī)床主軸系統(tǒng)溫度場進(jìn)行測試與研究具有重要意義。Christian Brecher等人開發(fā)了一種由計(jì)算機(jī)分析主軸熱特性的模型，使得主軸單元熱特性在開發(fā)早期階段就能得到有效定量估計(jì)[2]。計(jì)昌柱等人針對機(jī)床熱變形誤差測量系統(tǒng)存在的缺陷，提出了一種提高測量精度的圓心處理方法[3]。

本文將以HMC50e、HMC63e兩種型號臥式加工中心主軸系統(tǒng)為研究對象，建立對應(yīng)的測量方案，運(yùn)用FLIR紅外熱像儀分別對兩種型號臥式加工中心主軸系統(tǒng)初始狀態(tài)與熱測試終點(diǎn)溫度場分布進(jìn)行了檢測。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)主要在空切削狀態(tài)下進(jìn)行，不考慮切屑和切削運(yùn)動影響。機(jī)床在冷態(tài)下開始運(yùn)行，在室溫環(huán)境下進(jìn)行測試，為了保證實(shí)驗(yàn)具有良好的初始條件，機(jī)床在實(shí)驗(yàn)前12h之內(nèi)處于空閑狀態(tài)，測試過程中不準(zhǔn)中途停車，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。

運(yùn)用FLIR紅外熱像儀對機(jī)床主軸軸承以及其他主要熱源穩(wěn)定溫度與溫升變化規(guī)律進(jìn)行測定。實(shí)驗(yàn)所測試臥式加工中心主軸的最高轉(zhuǎn)速為4000～5000r/min，為保證機(jī)床在測試過程中運(yùn)行安全，測量轉(zhuǎn)速設(shè)置為3000r/min，機(jī)床連續(xù)運(yùn)行3.5h。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上實(shí)驗(yàn)安裝方法，使用FLIR熱像儀測得HMC50e臥式加工中心主軸系統(tǒng)初始狀態(tài)與熱測試終點(diǎn)時(shí)溫度場分布情況，如圖1、圖2所示；HMC63e臥式加工中心主軸系統(tǒng)初始狀態(tài)與熱測試終點(diǎn)時(shí)溫度場分布如圖3、圖4所示。對比不同型號的溫度場分布圖，可得主軸箱體前端最近位置溫度最高，且主軸箱體溫度場分布呈現(xiàn)前高、中低、后高的分布狀態(tài)。

圖1 HMC50e主軸系統(tǒng)初始狀態(tài)溫度場分布圖

圖2 HMC50e主軸系統(tǒng)熱測試終點(diǎn)溫度場分布圖

圖3 HMC63e主軸系統(tǒng)初始狀態(tài)溫度場分布圖

整個(gè)測量過程中HMC50e臥式加工中心主軸箱關(guān)鍵點(diǎn)溫升測量結(jié)果如表1所示，表中各溫度測點(diǎn)在主軸箱上的位置如圖1、2中十字點(diǎn)所示，其中SP02、SP03表示前軸承對應(yīng)位置處的測溫點(diǎn)；SP04表示中部位置處的測溫點(diǎn)；SP05、SP06表示后軸承對應(yīng)位置處的測溫點(diǎn)。由表1可知，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)期間，主軸箱上不同位置溫度值隨時(shí)間推移，具有先升后降的變化趨勢。機(jī)床連續(xù)運(yùn)行150min后，主軸箱達(dá)到熱平衡狀態(tài)，然后隨著時(shí)間推移，環(huán)境溫度下降，造成主軸箱整體溫度下降。整個(gè)主軸箱體最高溫度為25.8℃，主軸箱體前后位置同一時(shí)刻最大溫差大約為1.5℃，溫差較??；主軸箱不同時(shí)刻最大溫差大致為4.6℃。

圖4 HMC63e主軸系統(tǒng)熱測試終點(diǎn)溫度場分布圖

表1 HMC50e主軸箱關(guān)鍵點(diǎn)的溫升測量結(jié)果

整個(gè)測量過程中HMC63e臥式加工中心主軸箱關(guān)鍵點(diǎn)溫升測量結(jié)果如表2所示，表中各測溫點(diǎn)在主軸箱上的位置如圖3、圖4中十字點(diǎn)所示，其中SP01、SP02、SP03表示前軸承對應(yīng)位置處測溫點(diǎn)；SP04表示中部位置處測溫點(diǎn)；SP05表示后軸承對應(yīng)位置處測溫點(diǎn)。由表2可知，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)期間，主軸箱上不同位置的溫度值隨時(shí)間推移不斷升高，機(jī)床連續(xù)運(yùn)行150min后達(dá)到熱平衡狀態(tài)。整個(gè)主軸箱體最高溫度為37.7℃，主軸箱體前后位置同一時(shí)刻最大溫差大約為2.0℃，溫差較??；主軸箱不同時(shí)刻的最大溫差大致為10℃。

表2 HMC63e主軸箱關(guān)鍵點(diǎn)的溫升測量結(jié)果

根據(jù)測試結(jié)果可知，主軸箱溫升經(jīng)過2.5h后達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，一般中小機(jī)床平均熱穩(wěn)定時(shí)間為4h，通過二者相比之后得知，被測機(jī)床能夠快速達(dá)到熱平衡狀態(tài)，機(jī)床熱態(tài)性能優(yōu)異。

3 結(jié)語

本文運(yùn)用紅外熱成像技術(shù)，對機(jī)床運(yùn)行時(shí)主軸系統(tǒng)溫度場分布信息與溫升變化規(guī)律進(jìn)行測量，測試結(jié)果顯示，主軸箱前軸承所對應(yīng)測溫點(diǎn)處溫升變化較快，穩(wěn)定溫度最高，且溫度場分布呈現(xiàn)前高、中低、后高的趨勢；前軸承發(fā)熱較后軸承更大?？偟膩碚f，被測機(jī)床熱態(tài)性能優(yōu)異，在達(dá)到熱平衡狀態(tài)以后，主軸箱體溫度場一致性較好，溫差不大。