非切削状态下加工中心测主轴动态回转精度

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主轴作为机床的重要功能部件，其回转精度直接决定了工件加工的精度及表面粗糙度。对于机床生产厂家而言，主轴的回转精度是机床首先要控制和保证的精度。随着新技术的发展，加工中心主轴的转速越来越高，如对于 BT30 及类似规格的主轴，其转速可以达到 20 000 ～ 30 000 r / min，对于 BT40 及类似规格的主轴，其转速可以达到 15 000 ～ 20 000 r / min，对于
BT50 及类似规格的主轴，其转速可以达到 10 000 ～ 15 000 r / min。测试机床主轴的方法主要有静态( 或准静态) 测试法和动态测试法。传统的静态( 或准静态) 测试法主要是检测径向跳动/ 轴向跳动，它既不能反映出主轴在高转速下的精度信息，也无法将不同性质的误差成分区分开，已经无法满足高速主轴回转精度测试的需求。而动态法所测得的动态回转精度不仅可以反

映主轴在高速下的精度情况，还可以将不同性质的误差分离开，为主轴的生产厂以及主轴使用者提供更具有实际参考意义的信息。因此，要想预测主轴在高速下的回转精度，就要采用动态法来检测主轴的动态回转精度，以动态回转精度作为评价主轴的标准［1－3］。
笔者利用美国Lion Precision 公司的主轴误差分析仪对普通级立式加工中心及精密级卧式加工中心在非切削状态下的主轴动态回转精度进行了检测分析，通过对测试的数据进行处理，获得了不同转速情况下主轴的动态回转精度，以及不同拓扑结构机床的热特性，为机床以及主轴功能部件的设计提供一些参考和技术支撑。
1   主轴动态回转精度的测试及评定方法
针对主轴的动态回转精度测试，我国已发布了《GB / T 17421. 7－2016 回转轴线的几何精度》的测试标准。在该标准中主要讨论了主轴误差运动的定义和测试方法。其定义和测试方法区别于主轴静态下的径向跳动/ 轴向跳动，我们可将其理解为主轴的动态回转精度。
( 1) 主轴动态回转精度的内涵对于一个回转轴线而
言，共包含 6 项误差，如图 1 所示。其中: EXC 为轴线在X 方向的径向误差，EYC 为轴线在 Y 方向的径向误差，
EZC 为轴向误差，EAC 为围绕 X 轴的倾斜误差，EBC 为围绕 Y 轴的倾斜误差，ECC 为角定位误差。
对于主轴轴线而言，图 1 中的 X/ Y / Z 即为机床的 Z 轴，EXC、EYC 表现为主轴轴线的径向偏离误差，EZC 表
现为轴向偏离误差，EAC、EBC 表现为主轴轴线的倾斜误差，ECC 则由于加工中心主轴无精确定位要求在测试中予以忽略。所谓的主轴动态回转误差，即为以上前五项误差随主轴转速的变化而得到的误差［4－6］。
( 2) 主轴动态回转精度的检测方法
根据不同类型的测试对象需要采用不同的测试方法，将测试方法分为单向测量法和双向测量法。单向测量法是在主轴的敏感方向上安装一个位移传感器测得，这种方法适用于固定敏感方向，即工件旋转刀具固定不动的一类机床，如车床。双向测量法采用垂直放置的两个位移传感器，这种方法适用于旋转敏感方向，即刀具旋转工件固定不动的一类机床，如镗床。
以径向动态回转精度为例，如图 2 所示，采用双向测量法，垂直于主轴轴线相位差 90° 放置两个非接触式位移传感器，通过对装夹在主轴上的测试球或者测试棒的测量，先测量出回转误差运动在 X 和 Y 两个方向上的分量，再通过计算得到在敏感方向上的总误差运动，绘制径向动态回转精度的极坐标曲线图，获得不同转速下径向动态回转精度值［4－6］。
( 3) 主轴动态回转精度的检测仪器
基于对标准的理解，采用主轴误差分析仪对不同种类的机床主轴进行了回转误差的测试，系统中采用双标准球模拟刀具或工件装夹在主轴的刀柄中，与待测主轴一起旋转，标准球的圆度误差小于 50 nm，则测试球的圆度误差相对于主轴的回转误差，可以忽略不计。测试球的位移数据由位移传感器及其驱动器采集并由软件 SEA 处理，将所得结果以数值及图像的形式显示在软件界面。实际检测仪器如图 3 所示。
实际操作时，将传感器按照如图 1a、b 所示进行安装，X2 和 Y2 为主轴近端传感器，X 和 Y 为主轴远端传感器，Z 为轴向传感器。实际测试时，X 和 X2 为不同位置的 EXC，Y 和 Y2 为不同位置的 EYC，X 和 X2 的差值即为 EAC 倾斜误差，Y 和 Y2 的差值即为 EBC 倾斜误差，Z 为轴向误差。
2   主轴动态回转精度的检测及分析
2. 1   用于实际测试的加工中心
用于实际测试的加工中心如图 4。其中，图 4a 为普通级立式加工中心，采用皮带传动的主轴，刀柄型号为 BT40，主轴的最高转速为 6 000 r / min，无冷却系统，机床为 C 型结构; 图 4b 为精密级卧式加工中心，采用一体式电主轴，刀柄型号为 BT50，主轴的最高转速为 8 000 r / min，采用循环油冷却，机床为倒 T 型结构。
2. 2   主轴的动态回转精度
( 1) 同一主轴不同转速下的动态回转精度变化情况
图 5 为加工中心主轴的动态精度与主轴转速的关系曲线。其中，图 5a 为皮带传动普通级加工中心主轴，图 5b 为电主轴精密级加工中心主轴。根据 GB / T18400 普通级加工中心及 GB / T 20957 精密级加工中心中对于主轴径向跳动和轴向窜动的要求，两轴均可以满足相应等级主轴的标准要求精度值，并具有很大的精度裕度。
从图 5a 可以看出，该主轴的静态回转精度包括近端和远端径向误差、轴向误差均较小( 小于 2 μm) ，但随着转速的升高，主轴的近端径向动态误差和轴向动态误差变化较小，但远端径向动态误差却变化较大，基本接近 10 μm，在 5 000 r / min 时达到了 12 μm 以上，但在 6 000 r / min 时又降至 8 μm。总的来看，随着转速的升高，主轴的动态精度损失较大，尤其是远端的精度，实际加工时，这将表现为主轴的摆动，进而影响到工件的轮廓精度及表面粗糙度。
从图 5b 可以看出，该主轴的静态回转精度很高，基本小于 2 μm，近端的径向误差则小于 1. 5 μm。随着转速的升高，该主轴也出现了误差的变化，但总的来说变动值很小: 径向动态误差近端在 3 μm 以内，远端在 4 μm 以内，轴向动态误差在 4. 5 μm。与皮带传动的主轴相比，该电主轴的动态精度更高更稳定。
与此同时，也可以看出图 5a 中的机械主轴其轴端部的精度( 包括径向和轴向精度) 更好，而图 5 b 中的电主轴远端径向精度更好，轴向精度不理想。两图中都可以看出，主轴的径向动态误差近端和远端具有类似的形状和变化规律，两轴均有动态精度低的转速，机械主轴表现在 3 000 r / min 和 5 000 r / min 时远端径向
误差的突跳，电主轴表现在 6 000 r / min 时轴向误差的突跳。因此在实际使用中，应避开回转误差较大的转速，从而获得较高的加工精度。

( 2) 不同主轴在相同转速下的动态回转精度的对比情况
如图 6 所示是两种不同主轴的近端、远端径向动态误差和轴向动态误差的对比情况。其中图表 6a 示机械主轴，图 6b 表示电主轴。可以明显看出在不同的转速下机械主轴的动态精度变化比较明显，与电主轴相比其动态精度的稳定性差，其误差值也比电主轴要大，总的动态精度特性比电主轴差。虽然对于不同精度加工中心而言精度值要求不同，不过总的来说在实际制造过程中仍应控制动态精度的稳定性。
同时也可以看出，电主轴由于其零传动的特点，其动态精度相对稳定，而且精度值较高，皮带传动的机械轴虽然静态精度控制的很好，但实际工作中却会由于传动环节使得其动态精度出现较大的波动。
2. 3   主轴的偏摆和热伸长
在测试软件中，将主轴的热变形定义为热漂移，包括垂直于轴线方向的偏摆以及沿轴线方向的伸长。如图 7 所示。
图 7a 为皮带传动的机械主轴在最高转速 75% 条件下运行 1 h 的热漂移情况。X 向的热漂移为近端
8. 45 μm、远端 9. 22 μm，Y 向的热漂移为近端 48. 7
μm、远端 51. 6 μm，Z 向的热漂移为 44. 6 μm。X 向的热漂移相对 Y 向的小很多，说明机床的左右热对称很好，但前后的热对称比较差，C 型结构的缺点非常明显，随着主轴运转时间的增加，Y 向整体偏移很大。Z向的趋势为主轴与工作台靠近，说明随着运转时间的增加，主轴伸长; 同时远离主轴端部的位置偏摆加大，由于数值较大，会影响加工精度。Y 向的漂移在近端和远端均较大，近端和远端的差值不大，表现为整体的漂移，反映了该机床结构本身的热特性。从温升情况来看，主轴前轴承处的温升为 10 ℃ ，主轴的温升情况良好，说明轴承选择合理，轴承的安装和预紧等也比较好。
图 7b 为电主轴在最高转速 75%运行 2 h 的热漂移情况。前 24 min 为主轴升速阶段，可以看到，至 24 min 时升至最高转速 75%，分析数据时予以忽略。机床 X 向的热漂移近端 9. 4 μm、远端 11. 5 μm，Y 向的热漂移为近端1. 59 μm、远端1. 11 μm，Z 向的热漂移为37. 5 μm。在 48 min 后主轴的 Z 向热漂移基本在5 ～ 6 μm的变化范围，可以认为在 48 min 钟后主轴进入热稳定状态。各轴周期性的“抖动”变形与轴承处的温度变化周期一致，是由恒温油箱的开停机造成的。机床的 Y 向漂移非常小，X 向则向左漂移，经过分析是由于机床左侧的恒温油箱周期性向立柱输送冷风，而在机床立柱右后侧有一台其他设备的空调外机向立柱周期性输送热风，最终导致立柱左右冷热不均造成的。从温升情况来看，主轴前轴承处的温升为 2 ℃ ，主轴的温升情况很好，说明轴承选择合理，轴承的安装、预紧和冷却措施等也比较好，冷却系统起到了很好的作用［7－8］。
两种主轴相比较可以看出，机床的对称设计非常重要，两种机床均为左右对称的结构形式，在无外界热载荷的情况下，机床受热时对称设计的 X 向偏摆很小; 从 Y 向来看，立式机床由于机床整机刚度相对弱于卧式机床，其 Y 向偏摆大，热特性较差。同时可以看出，采用冷却措施对主轴的热特性影响非常大，主轴的发热不仅影响主轴自身的温升和漂移，同时也会带来机床的姿态发生改变，从而更加剧了主轴的偏摆幅度，造成加工精度的损失; 但 Z 向的热伸长是不可避免的，冷却情况下热伸长的幅度要比无冷却措施的主轴小 14 μm，仍起到了很好的作用。为了达到更高的精度，可根据以上曲线进行 Z 向的热补偿，则主轴的热变形可以极大地减小，从而获得好的加工精度。
3   结语
从以上比较可以看出，对于不同结构形式、不同冷却方式的主轴而言，在静态精度接近的情况下，其动态精度却会产生非常大的变化。同时，在非切削状态下，随着主轴连续旋转时间的延长，主轴的偏摆和伸长也会加大，较好的机床结构和较高的刚度有助于机床获得较好的热态精度和动态回转精度。
对于加工中心主轴而言，随着主轴转速的提高，仅采用静态测试法已经无法满足主轴精度的测试要求，应更多关注主轴的动态精度。利用主轴误差分析仪对主轴进行非切削、高速运转状态下的动态精度和热特性测试和分析可以预测机床的加工精度，为机床的设计、伺服调整、误差补偿等提供很好的技术支撑。

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