【摘要】精密加工中，数控机床主轴热误差对加工精度的影响不容忽视。文章对数控车床主轴轴承摩擦热源处的温度变化与主轴转速之间的关系进行了试验，测量了主轴转速与主轴热源处温度变化及主轴径向圆跳动的数据，通过图表进行了分析，并对引起主轴温度变化和误差变形原因进行了分析。数控车床主轴温度在开机前30分钟变化较快，总体变化快慢和速度有关，温度分布和负载有关，以上结论对数控车床的主轴设计和数控加工过程具有参考意义。
【关键词】加工精度；数控车床主轴；热误差；热变形
在零件加工过程中，机械加工精度是加工所要保证的。数控机床作为加工母机其加工精度决定了零件的精度。数控加工的误差主要因为加工过程中的各种变形引起刀具和工件之间的实际位置相对理想位置产生偏差，从而引起机械加工精度的误差。数控加工过程是一个动态过程，随着主轴转速、被吃刀量、进给速度等加工要素的改变，加之加工时间的不同，数控机床的变形状态会随着改变，从而引起加工误差也随之改变。要想控制加工误差就要对加工过程中的误差的产生原因和误差大小进行研究和分析。数控机床加工误差是一个机床各项误差综合影响的过程，其中机床的电机、运动副、刀具等的受力变形及热变形等都对加工精度造成影响。研究表明机床运动副的摩擦热及力源的发热对机床的变形有较大的影响。在精加工中，工艺系统受力变形对加工精度的影响与热变形相比处于次要的地位，减少机床的热变形，就成为提高机械加工精度的重要手段[1]。在数控机床的热变形中，主轴热变形是不容忽视的。因为主轴在数控机床中是保证数控机床工件或刀具旋转的关键机构，如果主轴发生变形那么必然会引起工件和刀具之间相对位置的改变，进而引起工件的尺寸精度、形状精度及位置精度的误差。由机床热变形所引起的加工误差占总误差的40%~70%[2]。在保证机床原始精度的情况下，在机床运转情况下，主轴热误差的影响比较大。所以为了保证数控加工精度，研究主轴热误差和主轴运转的变化情况及影响机理尤为重要。学者们对各类数控机床主轴热误差的测量、影响及误差补偿等方面进行了大量的研究。如学者们研究了主轴中速连续运转达到稳定温升所需时间，并发现温度对主轴轴向的热伸长误差的影响大于主轴径向的热变形误差[3]；通过单站激光跟踪干涉仪测量方法，采集机床运动轨迹，实时检测刀具中心点运动中的位置[4]；邢金鹏等对机床主轴在开启冷却机与关闭冷却机状态下进行热变形测试实验，得到主轴在两种状态下X、Y、Z轴向热变形规律[5]；对某数控立式加工中心主轴热变形进行测试实验，分析主轴转速、主轴温度对机床主轴热变形的影响[6]；通过实验方法采集干切削和添加切削液两种加工环境下的主轴温度，分析机床主轴电机温升，切削液、轴向伸长量之间的关系[7]；在热误差补偿方面，学者们建立了基于多元回归、神经网络、遗传算法等原理的热误差补偿模型[8-10]。减少主轴热误差、提高主轴精度方法很多，根据数控机床的不同方法也不同。最根本的还是要根据主轴的结构和热误差的影响结果来采取相应的措施。本文主要研究了数控车床的主轴在不同转速下温度的变化情况、主轴径向圆跳动变化情况及原因分析。因为在待加工零件中，轴类零件是应用很广的一类典型零件，而数控车床是加工轴类零件的加工母机，其精度在这类零件加工中举足轻重。
1数控车床主轴温度及主轴跳动采集方案
对机床主轴的温度采集要根据主轴上热源的分布情况来布置温度传感器。
1.1数控车床主轴热源分析
在数控车床中热源主要分为三大类，即切削热、机床运动副摩擦热和动力源的发热、辐射与周围环境气温变化等其他外界热源[1]。在以上热源中对数控车床主轴变形影响最大的是数控车床主轴的运动副摩擦和动力源的发热，在本文中主要热源考虑数控车床主轴的轴承和紧挨主轴的刀架伺服电机的发热。
1.2温度传感器的布置和数据采集方案
考虑到数控车床主轴的热变形受其上的轴承的摩擦运动产生的热源影响较大，所以将温度传感器布置在数控车床的主轴轴承附近。如图1所示，因为数控车床主轴在主轴箱中封闭，为了反映机床运动的真实散热情况，不打开主轴箱，采用可吸附温度传感器测头将其吸附在热源附件。如图1所示，用温度传感器1、2、3分别布置于主轴的前轴承盖、后轴承盖、伺服电机等部位，这些部位温升比较快对变形影响比较大。再布置一个温度传感器用来测量环境温度。通过千分表和标准测量棒来测量不同转速、不同加工时间情况下，主轴的跳动情况。将千分尺夹持在刀具架上，将￠30标准测量棒夹持在卡盘上，分别测量主轴在不同的转速、不同的加工时间下，主轴的跳动情况和对应不同状态下的主轴温度变化情况。改变数控车床主轴的转速，根据使用情况分别将转速设为600rmb/min、1000rmb/min、1500rmb/min、2000rmb/min分别运转120分钟，每隔2分钟采集一次温度，每30分钟采集一次主轴径向圆跳动值并对温度总结一次。注意观察每一种运转情况对应的温度和主轴跳动变化情况。
2数据分析
2.1热源温度数据分析
将初始状态下各热源处的温度值作为初始值并设为零，计算不同转速下，每隔30分钟各个热源部位温度相对于初始值的变化量。通过折线图反映温度变化和主轴运行速度之间的关系，以横轴为主轴运行时间，单位为分钟，纵轴为温度变化值，单位为摄氏度，根据测的时间和温度变化值通过。得出如图2所示主轴不同转速情况下不同热源部位温度上升情况。图中每段折线的斜率反映了温度上升的快慢。从图中可以看出，温度上升变化和主轴转速成正向关系，主轴转速快，温度上升变化快。在主轴转速为2000rmb/min时，三处热源的温度上升的速度都最快；而主轴转速为600rmb/min时，三热源处的温度上升最慢，即热源处的温度上升速度随着转速的增加和增加。从图2中还反映出，各热源处温度的上升速度随着运行时间的增加而减缓。不同的主轴转速下，三处热源处皆为最开始的30分钟内温度上升最快，随后温度上升变慢。转速越快最开始的温度上升就最快，转速越慢则温度上升的速度下降越慢。同时从图2中还观察到在四种不同转速下，三处热源的温度变化保持相同的趋势，但主轴后端轴承处的温度上升最快，主轴前端轴承处的温度上升速度次之，伺服电机处的温度上升最慢。
2.2主轴径向圆跳动数据分析
在数控车床不运转情况下测量主轴的径向圆跳动初值合格，并将其设为0，运转后每隔30分钟采集一次数据。数据折线图如图3所示，为不同转速和运转时间下，主轴径向圆跳动的变化情况。从图中折线走势可以观察到，在主轴刚刚运转初期，四种转速下的主轴跳动皆变大，超出合格范围。尤其在主轴转速超过1000r/min时，刚开始运转前30分钟，温度上升速度快，主轴跳动的变化也最大，随着时间的推移，主轴跳动慢慢变小，最终会达到合格范围。并且主轴转速越高，主轴径向跳动达到合格花费时间越短。
3原因解析
3.1主轴温度上升变化趋势及径向圆跳动变化原因分析
造成温度变化的原因由主轴结构决定的，本试验所用数控车床为宝鸡机床厂的EK40，是在CAK6140基础上改装而来，其主轴的动力源为伺服电机，传动机构为带轮，主轴支撑为三对轴承。主轴热源主要为主轴轴承，造成主轴热源温升变化快慢不同和主轴径向跳动变化的原因为，在主轴旋转后，轴承摩擦产生热量，该热量引起轴承处温度变化。在机床未启动时，热源、主轴及其上机构温度皆等于环境温度，在机床运动初期，热源产生热量，该热量主要以传导方式传递，热传导速度要比产热速度慢的多，所以热源部分升温很快，造成开机半小时内热源处温度上升较快；因为初期设备刚刚启动，热源升温快，根据热传导的作用，主轴及其上机构因为热传导也引起局部温度上升，但是因为机构材料、大小、结构、位置不同导致整个主轴部分热量分布不均匀，所以机床变形不均匀，致使主轴的跳动比较大；当运转一段时间后，热源的局部温度增加了，向周围的热传递也逐步均匀，所以温升变慢，主轴变形逐渐变缓，机床主轴机构的在新的热平衡下达到一种运转平衡，所以主轴的热源处温度增加变缓，主轴的跳动变化减少，主轴的径向跳动达到合格范围。
3.2主轴热源温度变化不同原因分析
主轴的尾端轴承处温度之所以大于前端轴承处温度和本数控车床的主轴上机构布局有关。主轴轴承布局如图4所示，在其尾端是带轮，连接伺服电机，主要传递主轴旋转的动力，靠近带轮处装有主轴后部轴承，为NN3016K系列的双列圆柱滚子，主轴中部靠前端装有一对角接触轴承，最前端装有一个NN3016K系列的双列圆柱棍子轴承。主轴前后端都安装相同型号的圆柱棍子轴承，根据文献[11]的研究，机床主轴随着轴承转速的增大，轴承总摩擦生热量增大，随着轴承外载荷的增大，滚道弹性滞后引起的摩擦生热增加，轴承总摩擦产生热量先下降后上升。因为带轮在主轴后端，所以带轮传递动力的同时也会在主轴后端增加载荷，此载荷会加载在后端的轴承上，所以随着运转时间增加会引起后端的齿轮摩擦热量增加，而本试验采用的是空转，所以主轴前端的滚子轴承比起后端轴承负载要小很多，所以轴承所产生热量受负载影响小，故此造成主轴后端轴承处温度比前端轴承处温度上升快。
4结语
分析了不同转速情况下数控车床主轴轴承处温度变化情况和主轴径向圆跳动的变化情况，对温度变化和主轴跳动变化情况和产生原因进行了分析，得到以下结论：（1）数控车床主轴上温度变化不均匀引起主轴热变形，导致主轴产生径向跳动等误差。（2）数控车床主轴热源处温度变化快慢与主轴转速和运行时间联系紧密，主轴转速快主轴轴承处温度变化也快；运行初期30分钟温度变化最快，随后温度变化减慢，最终达到平衡。（3）数控车床主轴的温度变化除受转速影响外还受负载的影响，当负载不均匀时，主轴上的温度变化也不均匀，引起主轴的变形。
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作者：梁艳 单位：西安思源学院