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主軸作為機(jī)床的重要功能部件,其回轉(zhuǎn)精度直接決定了工件加工的精度及表面粗糙度。對(duì)于機(jī)床生產(chǎn) 廠家而言,主軸的回轉(zhuǎn)精度是機(jī)床首先要控制和保證的精度。隨著新技術(shù)的發(fā)展,加工中心主軸的轉(zhuǎn)速越來(lái)越高,如對(duì)于 BT30 及類(lèi)似規(guī)格的主軸,其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 20 000 ~ 30 000 r / min,對(duì)于 BT40 及類(lèi)似規(guī)格的主軸,其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 15 000 ~ 20 000 r / min,對(duì)于
BT50 及類(lèi)似規(guī)格的主軸,其轉(zhuǎn)速可以達(dá)到 10 000 ~ 15 000 r / min。測(cè)試機(jī)床主軸的方法主要有靜態(tài)( 或準(zhǔn)靜態(tài)) 測(cè)試法和動(dòng)態(tài)測(cè)試法。傳統(tǒng)的靜態(tài)( 或準(zhǔn)靜態(tài)) 測(cè)試法主要是檢測(cè)徑向跳動(dòng)/ 軸向跳動(dòng),它既不能反映出主軸在高轉(zhuǎn)速下的精度信息,也無(wú)法將不同性質(zhì)的誤差成分區(qū)分開(kāi),已經(jīng)無(wú)法滿足高速主軸回轉(zhuǎn)精度測(cè)試的需求。而動(dòng)態(tài)法所測(cè)得的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度不僅可以反
映主軸在高速下的精度情況,還可以將不同性質(zhì)的誤差分離開(kāi),為主軸的生產(chǎn)廠以及主軸使用者提供更具有實(shí)際參考意義的信息。因此,要想預(yù)測(cè)主軸在高速下的回轉(zhuǎn)精度,就要采用動(dòng)態(tài)法來(lái)檢測(cè)主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度,以動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度作為評(píng)價(jià)主軸的標(biāo)準(zhǔn)[1-3]。
筆者利用美國(guó)Lion Precision 公司的主軸誤差分析儀對(duì)普通級(jí)立式加工中心及精密級(jí)臥式加工中心在非 切削狀態(tài)下的主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度進(jìn)行了檢測(cè)分析,通過(guò) 對(duì)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,獲得了不同轉(zhuǎn)速情況下主軸的 動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度,以及不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)機(jī)床的熱特性,為機(jī) 床以及主軸功能部件的設(shè)計(jì)提供一些參考和技術(shù)支撐。
1 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的測(cè)試及評(píng)定方法
針對(duì)主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度測(cè)試,我國(guó)已發(fā)布了《GB / T 17421. 7-2016 回轉(zhuǎn)軸線的幾何精度》的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。在該標(biāo)準(zhǔn)中主要討論了主軸誤差運(yùn)動(dòng)的定義和 測(cè)試方法。其定義和測(cè)試方法區(qū)別于主軸靜態(tài)下的徑 向跳動(dòng)/ 軸向跳動(dòng),我們可將其理解為主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度。
( 1) 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的內(nèi)涵對(duì)于一個(gè)回轉(zhuǎn)軸線而
言,共包含 6 項(xiàng)誤差,如圖 1 所示。其中: EXC 為軸線在X 方向的徑向誤差,EYC 為軸線在 Y 方向的徑向誤差,
EZC 為軸向誤差,EAC 為圍繞 X 軸的傾斜誤差,EBC 為圍繞 Y 軸的傾斜誤差,ECC 為角定位誤差。
對(duì)于主軸軸線而言,圖 1 中的 X/ Y / Z 即為機(jī)床的 Z 軸,EXC、EYC 表現(xiàn)為主軸軸線的徑向偏離誤差,EZC 表
現(xiàn)為軸向偏離誤差,EAC、EBC 表現(xiàn)為主軸軸線的傾斜誤差,ECC 則由于加工中心主軸無(wú)精確定位要求在測(cè)試中予以忽略。所謂的主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)誤差,即為以上前五項(xiàng)誤差隨主軸轉(zhuǎn)速的變化而得到的誤差[4-6]。
( 2) 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)方法
根據(jù)不同類(lèi)型的測(cè)試對(duì)象需要采用不同的測(cè)試方法,將測(cè)試方法分為單向測(cè)量法和雙向測(cè)量法。單向測(cè)量法是在主軸的敏感方向上安裝一個(gè)位移傳感器測(cè)得,這種方法適用于固定敏感方向,即工件旋轉(zhuǎn)刀具固定不動(dòng)的一類(lèi)機(jī)床,如車(chē)床。雙向測(cè)量法采用垂直放置的兩個(gè)位移傳感器,這種方法適用于旋轉(zhuǎn)敏感方向, 即刀具旋轉(zhuǎn)工件固定不動(dòng)的一類(lèi)機(jī)床,如鏜床。
以徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度為例,如圖 2 所示,采用雙向測(cè)量法,垂直于主軸軸線相位差 90° 放置兩個(gè)非接觸式位移傳感器,通過(guò)對(duì)裝夾在主軸上的測(cè)試球或者測(cè)試棒的測(cè)量,先測(cè)量出回轉(zhuǎn)誤差運(yùn)動(dòng)在 X 和 Y 兩個(gè)方向上的分量,再通過(guò)計(jì)算得到在敏感方向上的總誤差運(yùn)動(dòng),繪制徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的極坐標(biāo)曲線圖,獲得不 同轉(zhuǎn)速下徑向動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度值[4-6]。
( 3) 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)儀器
基于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的理解,采用主軸誤差分析儀對(duì)不同種類(lèi)的機(jī)床主軸進(jìn)行了回轉(zhuǎn)誤差的測(cè)試,系統(tǒng)中采用雙標(biāo)準(zhǔn)球模擬刀具或工件裝夾在主軸的刀柄中,與待測(cè)主軸一起旋轉(zhuǎn),標(biāo)準(zhǔn)球的圓度誤差小于 50 nm,則測(cè)試球的圓度誤差相對(duì)于主軸的回轉(zhuǎn)誤差,可以忽略不計(jì)。測(cè)試球的位移數(shù)據(jù)由位移傳感器及其驅(qū)動(dòng)器采集 并由軟件 SEA 處理,將所得結(jié)果以數(shù)值及圖像的形式顯示在軟件界面。實(shí)際檢測(cè)儀器如圖 3 所示。
實(shí)際操作時(shí),將傳感器按照如圖 1a、b 所示進(jìn)行安裝,X2 和 Y2 為主軸近端傳感器,X 和 Y 為主軸遠(yuǎn)端傳感器,Z 為軸向傳感器。實(shí)際測(cè)試時(shí),X 和 X2 為不同位置的 EXC,Y 和 Y2 為不同位置的 EYC,X 和 X2 的差值即為 EAC 傾斜誤差,Y 和 Y2 的差值即為 EBC 傾斜誤差,Z 為軸向誤差。
2 主軸動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的檢測(cè)及分析
2. 1 用于實(shí)際測(cè)試的加工中心
用于實(shí)際測(cè)試的加工中心如圖 4。其中,圖 4a 為普通級(jí)立式加工中心,采用皮帶傳動(dòng)的主軸,刀柄型號(hào)為 BT40,主軸的最高轉(zhuǎn)速為 6 000 r / min,無(wú)冷卻系統(tǒng),機(jī)床為 C 型結(jié)構(gòu); 圖 4b 為精密級(jí)臥式加工中心,采用一體式電主軸,刀柄型號(hào)為 BT50,主軸的最高轉(zhuǎn)速為 8 000 r / min,采用循環(huán)油冷卻,機(jī)床為倒 T 型結(jié)構(gòu)。
2. 2 主軸的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度
( 1) 同一主軸不同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度變化情況
圖 5 為加工中心主軸的動(dòng)態(tài)精度與主軸轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線。其中,圖 5a 為皮帶傳動(dòng)普通級(jí)加工中心主軸,圖 5b 為電主軸精密級(jí)加工中心主軸。根據(jù) GB / T18400 普通級(jí)加工中心及 GB / T 20957 精密級(jí)加工中心中對(duì)于主軸徑向跳動(dòng)和軸向竄動(dòng)的要求,兩軸均可以滿足相應(yīng)等級(jí)主軸的標(biāo)準(zhǔn)要求精度值,并具有很大的精度裕度。
從圖 5a 可以看出,該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度包括近端和遠(yuǎn)端徑向誤差、軸向誤差均較小( 小于 2 μm) ,但隨著轉(zhuǎn)速的升高,主軸的近端徑向動(dòng)態(tài)誤差和軸向動(dòng)態(tài)誤差變化較小,但遠(yuǎn)端徑向動(dòng)態(tài)誤差卻變化較大,基本接近 10 μm,在 5 000 r / min 時(shí)達(dá)到了 12 μm 以上,但在 6 000 r / min 時(shí)又降至 8 μm。總的來(lái)看,隨著轉(zhuǎn)速的升高,主軸的動(dòng)態(tài)精度損失較大,尤其是遠(yuǎn)端的精度,實(shí)際加工時(shí),這將表現(xiàn)為主軸的擺動(dòng),進(jìn)而影響到工件的輪廓精度及表面粗糙度。
從圖 5b 可以看出,該主軸的靜態(tài)回轉(zhuǎn)精度很高, 基本小于 2 μm,近端的徑向誤差則小于 1. 5 μm。隨著轉(zhuǎn)速的升高,該主軸也出現(xiàn)了誤差的變化,但總的來(lái)說(shuō)變動(dòng)值很小: 徑向動(dòng)態(tài)誤差近端在 3 μm 以內(nèi),遠(yuǎn)端在 4 μm 以內(nèi),軸向動(dòng)態(tài)誤差在 4. 5 μm。與皮帶傳動(dòng)的主軸相比,該電主軸的動(dòng)態(tài)精度更高更穩(wěn)定。
與此同時(shí),也可以看出圖 5a 中的機(jī)械主軸其軸端部的精度( 包括徑向和軸向精度) 更好,而圖 5 b 中的電主軸遠(yuǎn)端徑向精度更好,軸向精度不理想。兩圖中都可以看出,主軸的徑向動(dòng)態(tài)誤差近端和遠(yuǎn)端具有類(lèi)似的形狀和變化規(guī)律,兩軸均有動(dòng)態(tài)精度低的轉(zhuǎn)速,機(jī) 械主軸表現(xiàn)在 3 000 r / min 和 5 000 r / min 時(shí)遠(yuǎn)端徑向
誤差的突跳,電主軸表現(xiàn)在 6 000 r / min 時(shí)軸向誤差的突跳。因此在實(shí)際使用中,應(yīng)避開(kāi)回轉(zhuǎn)誤差較大的轉(zhuǎn)速,從而獲得較高的加工精度。
( 2) 不同主軸在相同轉(zhuǎn)速下的動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度的對(duì)比情況
如圖 6 所示是兩種不同主軸的近端、遠(yuǎn)端徑向動(dòng)態(tài)誤差和軸向動(dòng)態(tài)誤差的對(duì)比情況。其中圖表 6a 示機(jī)械主軸,圖 6b 表示電主軸。可以明顯看出在不同的轉(zhuǎn)速下機(jī)械主軸的動(dòng)態(tài)精度變化比較明顯,與電主軸相比其動(dòng)態(tài)精度的穩(wěn)定性差,其誤差值也比電主軸要大,總的動(dòng)態(tài)精度特性比電主軸差。雖然對(duì)于不同精度加工中心而言精度值要求不同,不過(guò)總的來(lái)說(shuō)在實(shí)際制造過(guò)程中仍應(yīng)控制動(dòng)態(tài)精度的穩(wěn)定性。
同時(shí)也可以看出,電主軸由于其零傳動(dòng)的特點(diǎn),其 動(dòng)態(tài)精度相對(duì)穩(wěn)定,而且精度值較高,皮帶傳動(dòng)的機(jī)械 軸雖然靜態(tài)精度控制的很好,但實(shí)際工作中卻會(huì)由于傳動(dòng)環(huán)節(jié)使得其動(dòng)態(tài)精度出現(xiàn)較大的波動(dòng)。
2. 3 主軸的偏擺和熱伸長(zhǎng)
在測(cè)試軟件中,將主軸的熱變形定義為熱漂移,包括垂直于軸線方向的偏擺以及沿軸線方向的伸長(zhǎng)。如 圖 7 所示。
圖 7a 為皮帶傳動(dòng)的機(jī)械主軸在最高轉(zhuǎn)速 75% 條件下運(yùn)行 1 h 的熱漂移情況。X 向的熱漂移為近端
8. 45 μm、遠(yuǎn)端 9. 22 μm,Y 向的熱漂移為近端 48. 7
μm、遠(yuǎn)端 51. 6 μm,Z 向的熱漂移為 44. 6 μm。X 向的熱漂移相對(duì) Y 向的小很多,說(shuō)明機(jī)床的左右熱對(duì)稱很好,但前后的熱對(duì)稱比較差,C 型結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)非常明顯,隨著主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加,Y 向整體偏移很大。Z向的趨勢(shì)為主軸與工作臺(tái)靠近,說(shuō)明隨著運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的增加,主軸伸長(zhǎng); 同時(shí)遠(yuǎn)離主軸端部的位置偏擺加大, 由于數(shù)值較大,會(huì)影響加工精度。Y 向的漂移在近端和遠(yuǎn)端均較大,近端和遠(yuǎn)端的差值不大,表現(xiàn)為整體的漂移,反映了該機(jī)床結(jié)構(gòu)本身的熱特性。從溫升情況來(lái)看,主軸前軸承處的溫升為 10 ℃ ,主軸的溫升情況良好,說(shuō)明軸承選擇合理,軸承的安裝和預(yù)緊等也比 較好。
圖 7b 為電主軸在最高轉(zhuǎn)速 75%運(yùn)行 2 h 的熱漂移情況。前 24 min 為主軸升速階段,可以看到,至 24 min 時(shí)升至最高轉(zhuǎn)速 75%,分析數(shù)據(jù)時(shí)予以忽略。機(jī)床 X 向的熱漂移近端 9. 4 μm、遠(yuǎn)端 11. 5 μm,Y 向的熱漂移為近端1. 59 μm、遠(yuǎn)端1. 11 μm,Z 向的熱漂移為37. 5 μm。在 48 min 后主軸的 Z 向熱漂移基本在5 ~ 6 μm的變化范圍,可以認(rèn)為在 48 min 鐘后主軸進(jìn)入熱穩(wěn)定狀態(tài)。各軸周期性的“抖動(dòng)”變形與軸承處的溫度變化周期一 致,是由恒溫油箱的開(kāi)停機(jī)造成的。機(jī)床的 Y 向漂移非常小,X 向則向左漂移,經(jīng)過(guò)分析是由于機(jī)床左側(cè)的恒溫油箱周期性向立柱輸送冷風(fēng),而在機(jī)床立柱右后側(cè)有 一臺(tái)其他設(shè)備的空調(diào)外機(jī)向立柱周期性輸送熱風(fēng),最終 導(dǎo)致立柱左右冷熱不均造成的。從溫升情況來(lái)看,主軸 前軸承處的溫升為 2 ℃ ,主軸的溫升情況很好,說(shuō)明軸承選擇合理,軸承的安裝、預(yù)緊和冷卻措施等也比較好, 冷卻系統(tǒng)起到了很好的作用[7-8]。
兩種主軸相比較可以看出,機(jī)床的對(duì)稱設(shè)計(jì)非常重要,兩種機(jī)床均為左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)形式,在無(wú)外界熱載荷的情況下,機(jī)床受熱時(shí)對(duì)稱設(shè)計(jì)的 X 向偏擺很小; 從 Y 向來(lái)看,立式機(jī)床由于機(jī)床整機(jī)剛度相對(duì)弱于臥式機(jī)床,其 Y 向偏擺大,熱特性較差。同時(shí)可以看出,采用冷卻措施對(duì)主軸的熱特性影響非常大,主軸的發(fā)熱不僅影響主軸自身的溫升和漂移,同時(shí)也會(huì)帶來(lái)機(jī)床的姿態(tài)發(fā)生改變,從而更加劇了主軸的偏擺幅度,造成加工精度的損失; 但 Z 向的熱伸長(zhǎng)是不可避免的,冷卻情況下熱伸長(zhǎng)的幅度要比無(wú)冷卻措施的主軸小 14 μm,仍起到了很好的作用。為了達(dá)到更高的精度,可根據(jù)以上曲線進(jìn)行 Z 向的熱補(bǔ)償,則主軸的熱變形可以極大地減小,從而獲得好的加工精度。
3 結(jié)語(yǔ)
從以上比較可以看出,對(duì)于不同結(jié)構(gòu)形式、不同冷卻方式的主軸而言,在靜態(tài)精度接近的情況下,其動(dòng)態(tài)精度卻會(huì)產(chǎn)生非常大的變化。同時(shí),在非切削狀態(tài)下, 隨著主軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)時(shí)間的延長(zhǎng),主軸的偏擺和伸長(zhǎng)也會(huì)加大,較好的機(jī)床結(jié)構(gòu)和較高的剛度有助于機(jī)床獲得較好的熱態(tài)精度和動(dòng)態(tài)回轉(zhuǎn)精度。
對(duì)于加工中心主軸而言,隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高,僅采用靜態(tài)測(cè)試法已經(jīng)無(wú)法滿足主軸精度的測(cè)試要求, 應(yīng)更多關(guān)注主軸的動(dòng)態(tài)精度。利用主軸誤差分析儀對(duì)主軸進(jìn)行非切削、高速運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下的動(dòng)態(tài)精度和熱特性測(cè)試和分析可以預(yù)測(cè)機(jī)床的加工精度,為機(jī)床的設(shè)計(jì)、伺服調(diào)整、誤差補(bǔ)償?shù)忍峁┖芎玫募夹g(shù)支撐。
2024-11
本文以組合式六角亭模型為實(shí)例,分析工藝難點(diǎn)與加工可行性,指出該模型的加工難點(diǎn)是模型形狀不規(guī)則和整體剛性差,并通過(guò)設(shè)計(jì)新的工藝方案解決加工難點(diǎn),完成了模型整體的加工。新的加工工藝有助于提高加工效率和精度,為五軸數(shù)控加工提供了一個(gè)典型案例,對(duì)于五軸加工中心數(shù)控加工也具有指導(dǎo)作用和重要… [了解更多]
2024-11
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2024-11
在機(jī)測(cè)量技術(shù)由于其成本低、檢測(cè)效率高、無(wú)需二次裝夾等優(yōu)勢(shì)被廣泛用于零件加工測(cè)量當(dāng)中,使得五軸加工中心和五軸鉆攻中心,同時(shí)又兼具測(cè)量功能。在機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示,硬件部分主要是由高精度探頭、信號(hào)接收器、機(jī)床整個(gè)本體,軟件部分由機(jī)床控制系統(tǒng)、測(cè)量軟件等組成[8]。待零件加工完成… [了解更多]
2024-11
?加工精度是影響機(jī)床性能和產(chǎn)品質(zhì)量的主要難題,也是制約國(guó)家精密制造能力的重要因素。本文以五軸加工中心為對(duì)象,針對(duì)提升機(jī)床精度進(jìn)行了研究。并且隨著科技的發(fā)展,精密的儀器和零件在生產(chǎn)實(shí)踐中占據(jù)的分量逐漸增加,在數(shù)控機(jī)床這種精密機(jī)器精度不斷提高的同時(shí),必須控制內(nèi)外界環(huán)境的隨機(jī)影響因素在… [了解更多]