某数控车床主轴综合误差对比测试

马治军+徐作恒

（沈阳机床股份有限公司沈一车床厂）

摘 要：本文针对主轴系统综合误差的动态误差以及热漂移误差开展了测试研究，针对一款改型前后的数控车床主轴结构开展主轴系统综合误差对比测试，通过主轴动态误差以及热漂移误差测试的数据分析，最后得出改型前后两款主轴结构的优缺点，为下阶段批量试制提供了试验支撑。

关键词：数控车床；主轴动态误差测试；主轴热漂移测试

0 引言

机床主轴在运转过程中主轴轴承、电机等由于摩擦而生热，尤其是高速主轴，其温升更快、更高。研究表明，影响高速机床加工精度的主要因素之一是热误差，在用现代机床加工零件的制造误差中，机床热变形所引起的制造误差可占总误差的50%，在精密加工中热误差是误差的最大来源，约占机床总误差的40%～70%[1]。而主轴系统的热变形误差又是引起机床热变形误差的重要因素。同时主轴做为数控机床的关键功能部件，其精度直接影响机床的加工精度，如果主轴存在误差，就会影响到机床的工作性能和寿命、工件圆度、表面粗糙度和平面度等，同时回转误差将导致振动和噪声，这对精密机床来说是也是不允许的。

国内外很多学者对主轴的动态误差进行了深入研究。苏文宇[2]分析了主轴回转误差的评价方法，开发了主轴误差的试验平台并对回转误差进行了测试。王建敏等[3]建立了单圈非重复性主轴回转精度评价的数学模型，实现了对主轴回转误差的最小区域法评价、最小外切圆法评价和最大内切圆法评价。上海交通大学的洪迈生[4]。采用差动式电容式传感器对主轴进行回转误差测试。彭万欢[4]对精密主轴回转误差测试过程中偏心的影响和作用原理进行了深入分析，提出一种有效的偏心消除方法。

在本文中，结合作者实际工作，针对某数控车床的主轴进行了动态误差和热漂移的详细测试，两个测试对象为改型之前的旧结构主轴结构以及试制的新结构主轴结构。通过测试将给出新旧结构主轴结构的详细测试数据及分析。

1主轴动态误差对比测试

目前常用的主轴回转误差测试方法主要为千分表测试法，也就是通过手盘的方式使主轴在低速进行旋转，同时读取并记录千分表的数值，但这种方法最大的问题是只能测试主轴在非常低转速的回转误差与实际工作转速差距较大，并且无法分离出异步误差和同步误差。

本文主轴动态误差的测试应用API主轴动态误差分析仪来完成测试，该仪器采用的是专门设计的先进的电容式或电感式传感器。本系统在主轴转速为每分钟60000转时可得到0.1微米的分辨率。该产品具有操作简单、功能强大的特性。

试验开始前，需对测试机床进行相应的运转热车，保证机床处于比较好的状态。

试验中，将机床主轴转速从100rpm逐步增加到2000rpm。其中，在100rpm～1000rpm之间每次增加100rpm，在1000rpm～2000rpm之间，每次增加200rpm。

在每个转速下，测量三次，得到数据后取平均值，以使得数据真实可靠，避免错误数据对测试结果的干扰。

改型前后两款数控车床主轴在不同转速下的动态误差各项测试的平均值分别见下表1、表2.

基于新旧结构主轴的动态误差测试数据，图2-4分别为新旧结构主轴的径向误差、轴向误差以及最小径向间隙数据的对比。

从整体来看，新结构主轴结构的径向异步误差、径向平均误差、轴向异步误差、轴向平均误差和最小径向间隙等各项误差指标均优于旧结构主轴结构。新结构主轴结构的设计改进取得了成功。

2 主轴热漂移误差对比测试

试验开始前，数控车床已完全冷却，床体温度基本和室温相当。

试验中，数控车床主轴转速始终保持在2000rpm，升温试验连续运行150min。在监测主轴箱部位三个测点温度的同时，测试主轴径向和轴向漂移情况，最终得到主轴温升情况与热漂移之间的关系。

新型号数控车床主轴箱部位的温升情况如图5所示。

新结构主轴的径向和轴向热漂移情况如图6所示。

新型号数控车床主轴箱最高温度出现在箱体尾部，即后轴承部位，箱体处温度达到了52℃，温升27℃，主轴Z向热漂移最大，为0.052mm。

旧型号数控车床主轴箱部位的温升情况如图7所示。

旧型号数控车床主轴的径向和轴向热漂移情况如图8所示。

旧型号数控车床的主轴箱最高温度也出现在箱体尾部，即后轴承部位，箱体处温度达到了34.5℃，温升10.5℃，主轴Z向热漂移最大，为0.022mm。

对比新旧结构主轴结构热漂移情况发现，新结构主轴结构温升较大，这与其主轴箱体积减小有关。另外，新结构主轴结构提升了机床整体刚度，致使轴承预紧力增大，导致发热量较大，温升较大。旧结构主轴结构主轴箱体积较大，并且是方箱结构，散热性能好，故温升较小；

由于新旧结构主轴结构均采用后轴承作为主要受力轴承，后轴承预紧力大，导致发热量大，温升大，热漂移从后轴承开始，沿主轴向卡盘方向传递，最终引起主轴Z向热漂移明显高于径向热漂移。

3 结束语

本文对一款改型前后的数控车床主轴进行了动态误差和主轴热误差的测试及对比。采用动态误差测试仪对新旧结构主轴结构的径向同步误差和异步误差、轴向同步误差和异步误差以及主轴最小径向间距和主轴热漂移分别进行了测试，给出了详细的测试数据。最后，通过测试数据对主轴结构的改进给出了对比及评价。

参考文献：

[1]张耀满，高冠滨，王旭东.加工中心主轴部件及其主轴箱的热特性有限元分析.组合机床及自动化加工技术，2005；（4）：43---45.

[2]苏文宇. 主轴回转精度测试实验系统改造及其误差分析[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学， 2010.

[3]王建敏，戴一帆，李圣怡. 单圈非重复性主轴回转精度评价[J]. 机械工程学报，2007，43（2）： 191 -195.

[4][洪迈生.试论主轴回转误差的直接测量法[J].计量技术，1997（3）：5-7.

[5]]彭万欢，赵午云，陶继忠，等.精密主轴回转误差测试的偏心分析[J].机械设计与制造，2008（12）：83-85.国家重大科技专项 （2013ZX04001031）資助