數控車床主軸熱特性測試分析

王 瑩

(遼寧裝備制造職業技術學院，遼寧 沈陽 110161)

在實際的數控車床加工中，一些誤差例如原始誤差、控制系統誤差等，都會導致實際加工質量大大下降[1]。其中，以主軸系統熱特性對加工精度影響最大，下文以CAK3675經濟數控車床為例進行熱特性測試分析。

1 熱特性理論

產生機理：車床熱誤差會導致刀具及工件位置偏移，降低加工精度[2]。若車床主軸高速旋轉，熱量將以傳導、對流、輻射方式傳遞，這種熱量變化都會導致主軸升溫的，其升溫速度并不完全相同，就會導致部分零部件熱變形變化嚴重。主軸的前后端軸承熱變化，以及其他熱源變化，都會導致主軸發生偏移變化，進而發生徑向彎曲[3]。

2 測試實驗

2.1 實驗工況

冷態數控車床進行實驗，為確保實驗數據準確，12h前就靜置車床，停止使用，為實驗準確性提供支持。具體測試中，測量溫度上升，以專業的FLIR熱成像儀將變化展示出來，測試得到的數控車床主軸軸承及不同熱源的實際溫度，了解其溫升變化。CAK3675車床主軸轉速可達3000-4000r/min，為確保車床高速運行安全，對各個時間更好比對，溫升實驗中，僅以2000r/min轉速實驗，實驗持續3h，環境初始溫度為4℃。

2.2 主軸系統溫升結果

圖1

主軸系統溫升如圖1所示，其最高溫度達到219℃，最低溫度為56℃。

測試結果表示，主軸以2000r/min持續運轉3h后，發現溫度發生變化并不明顯，主軸實際運行較穩定，加工精度有所保障。但是，主軸前軸承端最近實驗點--SP14在3h持續工作中溫度達到最高，溫度為21.398℃。

2.3 主軸系統熱變形結果分析

對主軸熱變形進行試驗，是分析主軸正常工作狀態下，是否發生熱位移，觀察其變化。例如，在熱變形中觀察到車床不同方向線位移、熱伸長、角位移等。在車床主軸設置φ=45mm，300mm長的檢棒，約每1s后就記錄一次數據。設置5個傳感器，安裝在機床X、Y、Z方向上，X、Y各安裝兩個傳感器。

通過實驗數據得出，數據車床以中等速度持續運行3h之后，其溫度上升穩定。在整體實驗過程中，主軸在X方向最大位移達到0.0307mm，最大角位移達到0.0101mm/150mm；而在Y方向最大線位移為-0.0406mm，最大角位移達到0.0016mm/150mm。主軸最大伸長達到0.0428mm。通過專業的米銥激光三角測量儀支持，將實驗結果顯示在顯示屏上，得到車床升溫中，主軸X及Y方向變形曲線圖，如圖2、圖3。

圖2 X方向主軸熱變形變化

圖3 Y方向主軸熱變形變化

3 實驗結果分析

通過研究，發現該數控車床主軸運行3h之后，發現主軸系統溫度整體較為穩定。整體主軸箱的溫度達到最高時，可為21.398℃，其溫升為16.584℃。此外，主軸經過3h的持續運行后，受熱達到最大熱伸長，數據顯示為0.0428mm，此時，機床主軸軸線發生過位移，X方向發生了-0.0307mm線位移，其角位移達到0.0101mm/150mm。而機床主軸在Y方向也存在最大線位移，數據顯示為-0.0406mm，其角位移達到0.0016mm/150mm。對實驗結果分析，發現在實驗中，主軸檢驗棒發生位移，其向車床內部及上部偏移，其變形方向、大小如圖4所示。

從上述分析發現，若數控機床主軸飛速旋轉，主軸運轉升溫，主軸西方的床身起到對主軸的有效支撐，而主軸發生熱變形后，則其箱將會逐漸向上傾斜。車床前后軸承位置溫度存在差異，實驗發現，主軸箱表面各點最大溫差為4℃，實驗表示，對應主軸箱前后的溫度升溫速度不一樣，就會導致最終出現蛋白變形也不一樣。其中，前軸承的發熱較為迅速，則導致前方變形大于后端變形，主軸逐漸向上傾斜。此外，傾斜還受車床前后軸承預警力影響。

圖4 主軸檢驗棒向車床偏移的方向及大小示意

4 結束語

綜上所述，以米銥激光三角測量儀測量實驗中車床主軸熱位移變化，通過專業的設備實驗分析，最終得到以下結論：一方面，溫升上主軸及軸承摩擦產熱，主軸軸承溫度最高，且前軸承溫度高于后軸承溫度。熱變形上，車床X、Y、Z都有位移，且以Y方向位移變化最為明顯。

因此，在實際工作中強化車床進度時，應考慮到車床持續工作導致的主軸上移及傾斜。