機(jī)電技術(shù)2014年4月磨床主軸熱特性分析及熱變形補(bǔ)償策略張祥雷馮偉陳站羅琪(廈門大學(xué)物理與機(jī)電工程學(xué)院,福建廈門361005)摘要:針對(duì)五軸數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊工具磨床建立了砂輪-主軸-軸承-主軸箱的主軸部件有限元模型,分析了主軸部件的熱源及其發(fā)熱量的計(jì)算公式,通過有限元仿真計(jì)算得到磨床主軸的熱穩(wěn)態(tài)溫度場和熱變形量,進(jìn)行了主軸熱特性分析。在不增加溫度、位移傳感器的基礎(chǔ)上提岀了有效的主軸熱變形補(bǔ)償策略,實(shí)現(xiàn)刀片加工精度達(dá)到5μm的精度要求關(guān)鍵詞:主軸靜剛度;軸承-轉(zhuǎn)子系統(tǒng);軸承剛度;熱變形補(bǔ)償中圖分類號(hào):TH161文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-4801(2014)02-002-03主軸單元作為磨床的關(guān)鍵部件,其熱特性直五軸精密數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨床如圖1所接影響磨床加工的精度和穩(wěn)定性,對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確示,磨床主要由床身、主軸、臥式回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、立式的分析至關(guān)重要。國內(nèi)學(xué)者吳玉厚對(duì)高速電主軸回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、頭架、尾架、高精度兩坐標(biāo)直線工作單元的工作原理、結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和性能分析等方臺(tái)、砂輪架、修整器等部件組成。圖2為磨床的主面有較全面的論述。蘭州理工大學(xué)對(duì)HMC80臥軸部件,通過工程分析,它有兩個(gè)主要熱源:一是式加工中心電主軸熱、動(dòng)態(tài)特性分析及耦合進(jìn)行電機(jī),主軸電機(jī)在空轉(zhuǎn)或加工時(shí)所消耗的功率轉(zhuǎn)了研究。浙江大學(xué)的蔣興奇對(duì)主軸軸承的熱特變?yōu)闊崃?二是軸承,主軸軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中存在性進(jìn)行了較深人的研究,并推導(dǎo)了軸承熱變形對(duì)的復(fù)雜摩擦生成熱量,直接導(dǎo)致主軸部件的熱變軸承動(dòng)力學(xué)特性的影響。在以上研究的基礎(chǔ)形,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)l(fā)生金屬粘結(jié)燒傷現(xiàn)象,使軸承上,本文針對(duì)自主開發(fā)的五軸數(shù)控精密可轉(zhuǎn)位刀失效。本文分析暫不考慮磨削熱的影響。片周邊磨床的主軸部件的熱特性進(jìn)行了研究,分2主軸部件的熱態(tài)特性分析析其達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)時(shí)溫度場和熱變形,提出有效的主軸熱變形補(bǔ)償策略,為提高工具磨床的穩(wěn)定性21主軸電機(jī)的發(fā)熱計(jì)算提供理論依據(jù)主軸電機(jī)的損耗一般分為4類:機(jī)械損耗、電1主軸部件的主要熱源分析損耗、磁損耗和附加損耗。前三類損耗通常稱為主要損耗,附加損耗在總的損耗總所占比例很小約為額定功率的1%~5%,可忽略不計(jì)。故電機(jī)EG產(chǎn)生的熱量可采用下式計(jì)算P=TporL+/R+bfB(1)式中,a為摩擦系數(shù);p為空氣密度;ω為角速度r為轉(zhuǎn)子的外半徑;L為轉(zhuǎn)子的長度;/為電流;R為導(dǎo)體的電阻;b為與電工鋼牌號(hào)有關(guān)的常數(shù);f為磁化頻率;B-為磁感應(yīng)強(qiáng)度最大值。22軸承的發(fā)熱計(jì)算圖1磨床整機(jī)外觀圖軸承的摩擦是內(nèi)外套圈相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),軸承內(nèi)部各元件對(duì)該運(yùn)動(dòng)阻抗的總和。根據(jù) Palmgren理論,摩擦力矩M主要由空載時(shí)潤滑油粘性所產(chǎn)生的摩擦力矩YHE中國煤化工作用產(chǎn)生的摩擦力矩MCNMHG算公式如圖2主軸部件簡圖*國家科技重大專項(xiàng)(2010ZX04001-162)乍者簡介:張祥雷(1987-),男,在讀博士,研究方向:復(fù)雜曲面成形與精密數(shù)控裝備制造技術(shù)研第2期張祥雷等:磨床主軸熱特性分析及熱變形補(bǔ)償策略7nM=10 o(ny)"dSODAL SelETIONcTi:=013+103f(P0/C0)°Pdn式中,n為軸承轉(zhuǎn)速;M為軸承摩擦力矩;f。、f為相關(guān)系數(shù);y為運(yùn)轉(zhuǎn)溫度下潤滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度dn為軸承的平均直徑;P為軸承的等效靜載荷C為軸承額定靜載荷;P為決定摩擦力矩的當(dāng)量載荷。2.3主軸部件的熱態(tài)特性分析對(duì)于五軸工具磨床主軸部件的熱態(tài)特性有限圖4主軸熱變形云圖元分析在如下條件下進(jìn)行主軸部件的熱變形控制1)假設(shè)主軸電機(jī)的功率損失全部轉(zhuǎn)化為熱減小磨床的熱變形誤差一般有兩種方法:誤量,其值由公式(1)計(jì)算差防止和誤差補(bǔ)償法。2)前軸承采用角接觸陶瓷球軸承,后軸承為誤差防止就是通過提高磨床的設(shè)計(jì)、制造和精密雙列圓柱滾子軸承,前后軸承的生熱量由公裝配途徑來減少或消除磨床原始誤差的方法,這式(2)計(jì)算;種靠提高磨床制造精度和安裝精度來減少磨床誤3)主軸冷卻系統(tǒng)的冷卻油流量為Q=2.Lmin,差的方法存在很大的局限性,而且經(jīng)濟(jì)代價(jià)較高。入口溫度為T=20℃近年發(fā)展起來的誤差補(bǔ)償是一種減少熱變形4)環(huán)境溫度為T=20℃。的經(jīng)濟(jì)有效的方法。磨床誤差補(bǔ)償就是人為制造圖3為主軸部件采用油冷時(shí)的溫度場分布種新的誤差去抵消磨床的原始誤差,隨著數(shù)控主軸轉(zhuǎn)速為2800rmin,提取仿真的數(shù)據(jù)可以得到磨床的大量應(yīng)用,相應(yīng)地產(chǎn)生了熱誤差數(shù)控補(bǔ)償主軸電機(jī)的最高溫度為4.3℃,前軸承的最高溫技術(shù),通過分析磨床熱誤差變化規(guī)律建立熱誤差度為36.2℃,后軸承的最高溫度為395℃。補(bǔ)償?shù)臄?shù)學(xué)模型,利用布置在磨床上的傳感器實(shí)時(shí)測量磨床的溫度和熱變形,就可以實(shí)現(xiàn)磨床熱s:a24誤差的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。對(duì)于五軸數(shù)控磨床而言,其本身的制造和裝配精度已經(jīng)很高,采用誤差防止的方法減小熱誤差將會(huì)大大增大成本,采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒▌t可以花很小的代價(jià)獲得較髙的磨床精度。通過布置溫度和位移傳感器建立主軸的熱誤差模型,然后通過數(shù)控系統(tǒng)實(shí)施補(bǔ)償,便可以實(shí)時(shí)測量并補(bǔ)償圖3主軸部件的熱穩(wěn)態(tài)溫度云圖主軸的熱變形誤差。另一種補(bǔ)償方法是每次測量采用順序耦合的方式,將主軸部件底部施加磨削后的可轉(zhuǎn)位刀片內(nèi)切圓直徑,將實(shí)測值跟標(biāo)全約束,加載溫度計(jì)算的結(jié)果,獲得主軸在熱穩(wěn)定稱值做比較,如果偏差值在3μm以內(nèi),則認(rèn)為是正常偏差范圍,不進(jìn)行補(bǔ)償;如果偏差值超過時(shí)的熱變形云圖,如圖4所示。從圖中可以看出主軸發(fā)生膨脹并彎曲,最大的變形量發(fā)生在砂輪3μm,則補(bǔ)償偏差值的一定比例,如90%。該方法上端面,變形值達(dá)到了132μm。這主要是由于砂避免了使用溫度傳感器,不需要加工前的熱機(jī)時(shí)輪軸電機(jī)、軸承產(chǎn)生的熱量使砂輪主軸產(chǎn)生熱膨間,并且可補(bǔ)償包含熱、幾何等誤差,是一種綜合性的補(bǔ)償方法。經(jīng)現(xiàn)場驗(yàn)證,該方法將可轉(zhuǎn)位刀了其的￥曾的產(chǎn)能xtYH圖國煤化工MHG進(jìn)行控制。針對(duì)五軸數(shù)控可轉(zhuǎn)位刀片工(下轉(zhuǎn)第10頁10機(jī)電技術(shù)2014年4月1)刀架預(yù)緊力過大。當(dāng)用扳手松動(dòng)蝸桿端部3)電源不通,電機(jī)不轉(zhuǎn)。檢查線路是否完好,時(shí)不易轉(zhuǎn)動(dòng),且需用較大力氣才可以轉(zhuǎn)動(dòng),若下次電源開關(guān)是否良好接通,開關(guān)位置是否正確。電夾緊后刀架仍不能正常啟動(dòng),則可以斷定是預(yù)緊源通,電機(jī)反轉(zhuǎn),可確定為電機(jī)相序接反,可通過力過大造成的?？赏ㄟ^調(diào)小刀架電機(jī)夾緊電流排檢査線路變換相序排除之,若手動(dòng)換刀正常,機(jī)控除之。不換刀,則應(yīng)該檢查微機(jī)與刀架控制器引線、微機(jī)2)刀架內(nèi)部機(jī)械卡死。當(dāng)旋轉(zhuǎn)刀架內(nèi)部的蝸IO接口及刀架到位回答信號(hào)。桿,無論順時(shí)針或逆時(shí)針都無法旋轉(zhuǎn)時(shí),其原因是5結(jié)束語機(jī)械卡死。第一,檢査是否有螺母鎖死情況,若本文采用PLC為中心的設(shè)計(jì)程序,配合數(shù)控有,應(yīng)及時(shí)調(diào)整;第二,檢查夾緊裝置反靠定位銷系統(tǒng)已成功的應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床刀架部分改是否在反靠棘輪槽內(nèi),若在,則需要將反靠棘輪與螺桿連接銷孔回轉(zhuǎn)一個(gè)角度重新打孔連接;第三,造。實(shí)踐證明,整個(gè)系統(tǒng)具有一定的通用性,運(yùn)行穩(wěn)定,安裝調(diào)試方便,可根據(jù)車床實(shí)際情況靈活的檢查是否由于潤滑系統(tǒng)不良造成蝸桿鎖死,若有,應(yīng)及時(shí)拆開,査清實(shí)際情況,加以潤滑處理更改刀位數(shù)等。參考文獻(xiàn)[廖常初西門子人機(jī)界面[M北京:機(jī)械出版社,2007[2]李華主機(jī)械制造技術(shù)M北京:高等教育出版社,20003]張興國可編程序控制器技術(shù)應(yīng)用[M]北京:中國電力出版社,20064祝紅方PLC及其在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用M]北京:人民郵電局出版社,20079,99,9999,9,9,99,99,999(上接第3頁)具磨床的主軸進(jìn)行熱特性分析,應(yīng)用有限元軟件分析主軸熱特性的基礎(chǔ)上提出了減少其熱變形的獲取主軸的熱穩(wěn)態(tài)溫度及熱變形云圖,驗(yàn)證了主補(bǔ)償方法,確?？赊D(zhuǎn)位刀片加工精度的穩(wěn)定性與軸在電機(jī)、前后軸承處發(fā)生較大的溫度變化,并得保持性達(dá)到工程要求。到了主軸在熱穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的最大變形量,最后在參考文獻(xiàn)吳玉厚數(shù)控磨床電主軸單元技術(shù)[M]北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006[2]趙躍超.HMC80臥式加工中心電主軸熱、動(dòng)態(tài)特性分析及耦合研究[D蘭州:蘭州理工大學(xué),20113]蔣興奇主軸軸承熱特性及對(duì)速度和動(dòng)力學(xué)性能影響的研究D杭州:浙江大學(xué),20014]蔣興奇,馬家駒,趙聯(lián)春高速精密角接觸球軸承熱分析J軸承,20008:1-45]肖章林,劉玉榮,張伯霖.高速數(shù)控磨床主軸軸承的油氣潤滑技術(shù)機(jī)機(jī)械開發(fā),1998(3)18-2316 Mohammed. A. Alfares, Abdallah. A. Esharkawy. Effects of Axial Preloading of Angular Contact Ball Bearings on the Dynamics of a Grinding Machine Spindle System[J] Journal of Materials Processing Technology, 2003(136): 48-59Iη]龐靜珠李蓓智,楊建國,等高速磨床電主軸熱剛度耦合模型的分析與優(yōu)化J東華大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012.38(4)471-473[8] ABELE E, ALTINTAS Y, KOLAP P, et al. Machine tool spindle unites[J]. CIRP Annals- Manufacturing Technology, 2010, 59(2):781-8029]周金芳,姜萬生,王斌洲等高速電主軸在線溫升及軸向熱伸長測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)J科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(4):749中國煤化工0曹永潔傅建中基于高精度位移傳感器的機(jī)床主軸熱變形實(shí)時(shí)測量控制與CNMHGI1!張祥雷姚斌姚博世等可轉(zhuǎn)位刀片周邊磨削的夾具變形分析組合機(jī)床與自動(dòng)化加技木,2013(3):9-11「121張祥雷,姚斌,姚博世等.五軸工具磨床床身的結(jié)構(gòu)分析與輕量化硏究J制造技術(shù)與機(jī)床,2013(5):56-59