機床刀具軸向熱位移的評估試驗設計

田萬英，韋源源

(1.揚州工業職業技術學院智能制造學院，江蘇揚州 225127;2.揚州大學機械工程學院，江蘇揚州 225127)

0 前言

熱變形通常是由環境溫度變化、主軸旋轉或者旋轉軸運動產生的熱效應引起的，是導致機床出現嚴重誤差的原因之一[1-3]。隨著精密制造行業的快速發展，數控機床的加工精度不斷提高。因此，在不同熱條件下，評估熱效應對機床定位精度的影響至關重要[4-5]。

國際標準ISO 230-3中描述了評估加工中心的熱試驗[6]，但它只評估單個成品試件的幾何精度，并假設機床在充分預熱后是熱穩定的。楊迪和茍衛東[7]依據ISO 230-3提出了一種五軸復合加工中心主軸熱效應測定方法，結果表明：Z軸最大位置偏差為16 μm，相對偏差均低于10%。但是該方法需要借助特殊的測量設備，然而絕大多數車間無法滿足這個條件。

大多數機床企業用戶希望通過機械加工試驗來評估機床的性能，而機械加工試驗有時由機床制造商進行，以用于機床性能檢查。許多研究人員提出用加工試驗來評估數控機床的幾何精度，但很少有人將它應用于熱誤差評估。近年來，針對機床熱效應引起的變形問題，IBARAKI等[8]提出了一種金字塔形加工試件，并將它應用于熱誤差評估。WIESSNER等[9]提出了一種適用于五軸機床熱變形檢測的圓孔銑削加工試件，它表現出較好的檢測效果且無需借助特殊的測量設備。但是，上述方法僅適用于某些固定類型的機床，適用性不強。

因此，本文作者提出一種新的十分簡單的加工試驗方法，以評估由主軸旋轉產生的熱效應引起的機床主軸Z方向熱變形。雖然機床的熱變形可以在任何方向上影響刀具的位置和方向，但試驗只研究Z方向的變形，這也是目前大多數研究的主要方向。通過一個試驗案例來說明試驗過程，并與所提試驗進行對比，以對試驗結果進行驗證。所提試驗方法十分簡單，不需要特殊的測量儀器，旨在讓車間工程師快速、便捷地定期檢查機床，適用于絕大多數類型的組合加工中心。

1 試驗方法

1.1 加工試驗程序

國際標準ISO 230-2中描述了兩種標準化的熱試驗：五點法和激光檢測法，目前主流的方式是五點法。當連續旋轉的主軸以恒定或變速產生熱效應時，使用5個非接觸式位移傳感器連續測量測試芯軸的三維位移和方向。ISO 230-3中描述的熱試驗如圖1所示。

圖1 ISO 230-3中描述的熱試驗

由圖1可以看出，依照標準ISO 230-2的熱試驗需要多個非接觸式位移傳感器，實施條件比較復雜。因此，本文作者提出更簡單的熱試驗方法，目的是檢測當主軸旋轉在給定時間內連續產生熱量時，刀具中心點(Tool Center Point，TCP)在刀具軸向相對于試件的相對位移。

所提試驗通常在機床的XY平面內進行，但如果有可轉位的主軸頭，也可以在其他坐標平面內進行。成品試件的標稱幾何形狀如圖2所示，4個φ10 mm孔用于夾緊試件。

制造商和企業用戶可以在試驗前對特定的預熱周期達成一致，或者試驗可以在沒有任何預熱周期(冷啟動)的情況下開始。具體步驟如下：

(1)對基準面進行端面銑削；

(2)采用開槽加工(槽寬等于刀具直徑)獲得槽S1，刀具僅在XY平面上進給，即在加工操作期間Z方向沒有進給，切削的軸向深度可與開槽深度(5 mm)相同；

(3)重新返回初始的Z向位置，旋轉主軸15 min；

(4)對16個槽重復步驟(2)和(3)，如圖2所示，從S1到S16， 大約4 h，主軸在整個試驗過程中不得停止。

圖2 成品試件的標稱幾何形狀

試件的幾何尺寸，包括槽的標稱深度和數量，可以根據制造商和用戶之間的協商進行修改。根據熱變形達到穩定狀態所需的時間，等待時間(通常為15 min)可以修改。加工條件，如刀具、進給速度、切削深度和主軸速度，應適當選擇，以使精加工槽的幾何形狀不會受到加工過程的顯著影響。推薦使用φ10 mm圓柱立銑刀或相同直徑的圓角立銑刀[10]。所使用的潤滑劑應該是應用于被測機床的典型量。

原則上，所提出的試驗可以應用于任何尺寸的垂直和水平組合加工中心，或任何具有旋轉主軸的機床，如具有銑削主軸的車削中心。

成品試件槽的深度，可通過深度計、坐標測量機或者線性位移傳感器進行測量。建議在底面的不同位置進行多次讀數，以求其平均值。當在同一機床上測量深度時，應在機床充分冷卻后進行測量。試件不應從臺鉗或夾具上卸下。應將線性位移傳感器(例如觸發式探頭)安裝到機床主軸上。當用三坐標測量機[11-12]測量深度時，建議在安裝試件時不要松開臺鉗或夾具。

1.2 對比試驗

對比試驗為WIESSNER等提出的圓孔銑削試驗，成品試件幾何形狀如圖3所示。

圖3 成品試件幾何形狀

圓形孔P1至P16使用上述過程進行端面銑削，等待時間為15 min。每個圓形孔的推薦刀具軌跡如圖4所示。

圖4 每個圓形凹腔的推薦刀具軌跡

建議使用螺旋圓形軌跡，每個循環的TCP軌跡直徑為5 mm，Z方向進給為0.2 mm。底面由沒有Z方向進給的單一圓形軌跡完成。

2 案例試驗結果與分析

2.1 試驗設置與結果

所提加工試驗在某五軸聯動立式加工中心NMV3000DCG上進行。成品試件如圖5所示。

圖5 成品試件

在整個試驗過程中，機床的熱補償[13]一直處于關閉狀態。所提試驗的加工條件如表1所示。

表1 所提試驗的加工條件

在該試驗中，為評估成品槽的3D幾何形狀，每個槽都通過連接到機床主軸的基恩士激光位移計SI-F10進行掃描。該激光位移計的主要技術指標：測量范圍為(11.8±1.0) mm，參考工作距離的激光光斑直徑為40 μm，分辨率為10 nm。激光位移計在垂直于每個槽的進給方向(寬度超過24 mm)移動時，連續測量到槽表面的距離。以0.2 mm的掃描間距在不同位置重復此操作。

第1個槽(S1)和最后1個槽(S16)的剖面測量結果分別如圖6(a)和圖6(b)所示。

圖6 第1個槽和最后1個槽的剖面測量結果

第1個槽底面的平均Z方向位移為Z=0。從第1個槽到最后1個槽，成品槽件上Z方向位移平均測量值的變化如圖7所示。

圖7 成品槽件上Z方向位移平均測量值的變化

由圖7可以看出：第2個槽比第1個槽深16 μm；從第3個槽開始，彼此間差值變化逐漸縮小，在槽S16處深度為19 μm，該數值就是TCP在負Z方向上的熱位移。主要原因是主軸旋轉產生的熱效應導致主軸單元的熱膨脹。

2.2 與非接觸式刀具測量的比較

基于激光的非接觸式刀具測量系統[14-15]在制造業中被廣泛用于測量機床上旋轉刀具的各種幾何參數，如半徑和長度。為與所提出的加工試驗進行比較，使用該系統測量同一刀具在Z方向上的TCP位移。試驗中使用的是某10120100型測量系統。非接觸式刀具測量系統如圖8所示。

圖8 非接觸式刀具測量系統

該儀器固定在機床工作臺上，并將激光束投射到旋轉工具上。一組電荷耦合器件(Charge-coupled Device，CCD)光學傳感器以T形布置，即沿Z和X方向的2條線排列，檢測刀具的陰影。在試驗中，刀具在不切削的情況下以12 000 r/min旋轉15 min，然后在6 350 r/min 轉速時使用非接觸式刀具測量系統測量其Z方向位移，重復16次。

由非接觸式刀具測量系統測量的刀尖在Z方向位移如圖9所示。

圖9 由非接觸式刀具測量系統測量的刀具在Z方向的位移

可以看出，圖9與圖7的趨勢相似，但其最終位移為16 μm，而圖7中為19 μm。還可以觀察到，圖9中測量的刀具位置在60 min后略微上移(約小于1 μm)，但在圖7中略微下移。這些差異可歸因于不同環境的影響(例如環境空氣溫度)、測量不確定性(例如表面粗糙度)或者刀具和工件的變形(由于材料去除過程產生的熱量導致)。

2.3 對比試驗設置與結果

為充分驗證所提試驗方法的有效性，采用如圖3所示的圓孔試件進行對比加工試驗。使用相同的基恩士激光位移計SI-F10。對比試驗的成品試件及其在機測量設置如圖10所示。

圖10 對比試驗的成品試件及其在機測量設置

對比試驗的機床、刀具、進給速度與表1相同，加工條件如表2所示。

表2 對比試驗的加工條件

第1個孔(P1)和最后1個孔(P16)的剖面測量結果分別如圖11(a)和圖11(b)。

圖11 第1個孔和最后1個孔的剖面測量結果

圓柱立銑刀通常具有凸底邊緣。如圖11所示，螺旋刀軌將殘留物留在圓形腔的中心。當使用千分表或觸發式測頭通過離散探測點測量孔深時，測量點必須精心選擇。成品孔上Z方向位移平均測量值的變化如圖12所示。

可以看出，圖12也顯示出與圖7相似的趨勢，且最終位移為20 μm。在負Z方向上，上述3種方法獲得的TCP熱位移結果如表3所示。

圖12 成品孔件上Z方向位移平均測量值

表3 3種方法獲得的TCP熱位移結果

從表3可以看出：文中開槽試驗的檢測偏差小于圓孔銑削試驗；相比于非接觸式刀具測量系統，文中開槽試驗的相對偏差為18.8%。考慮到3次試驗時環境溫度的不同、工件的變形以及采用傳感器精度不同，偏差在20%以內是可以接受的，符合實際生產需求，因此所提試驗方法可行。

4 結論

本文作者提出的加工試驗評估了機床熱位移對刀具軸向(Z方向)位移的影響，該試驗方法十分簡單，無需特殊的測量儀器。以五軸聯動立式加工中心為例進行研究，得出如下結論：(1)該試驗與圓孔銑削試驗具有相似的性能，且偏差減少了1 μm；(2)相比于非接觸式刀具測量系統，該試驗的刀具中心點熱位移偏差僅為3 μm，精度滿足企業實際需求；(3)該試驗可有效適用于任何尺寸的垂直和水平組合加工中心。