钻攻机主轴温升对加工精度的影响及对策

2020-05-05

中国新技术新产品 2020年4期

（沈阳机床股份有限公司，辽宁沈阳 110142）

0 引言

钻攻机不但可以进行高速钻孔、攻丝和铣削加工，还可以进行连续的平滑曲线加工，具有高速、高精度和高效率的特点。目前，国内外钻攻机主轴转速普遍较高，主轴轴芯的高速旋转运动，使得主轴温升过高，而这一直是钻攻机制造厂商的顽疾。只有控制好钻攻机主轴温升，才能够保证机台的尺寸精度和外观精度。

在主轴温升解决方案中，目前采用的方法主要有加装Z 轴光栅尺，系统自适热补偿等措施来保证机台加工精度，以上均为主轴温升的后续的补救措施，并没在源头上解决由于主轴发热而引起的加工误差。

1 温升原因分析

主轴温升的主要因素有轴承高速转动，换刀时对弹簧的反复压缩，以及切削热传导至主轴，以下对影响主轴温升的3 种主要因素进行研究。

1.1 轴承传动

目前市面钻攻机主轴轴承多为2 组角接触陶瓷轴承，背对背排列布置。轴承中各个元件生热及其热传递是滚动轴承使用性能及寿命的重要影响因素。在高速运转过程中，陶瓷轴承元件间相互摩擦是轴承温度变化的主要热量来源，要计算陶瓷轴承的传热机制，需要获取陶瓷轴承各个元件的发热情况。

1.1.1 滚珠与外圈滑动摩擦生热

主轴在高速运转时，轴承外圈静止不动，陶瓷滚珠与外圈存在相对滑动和滚动的复合运动，而热量的产生，主要来自相对滑动，其产生热量为Q1：

式中：τq—滚动与外圈之间的切应力。vq—滚动体相对于外圈的滑动速度。T0—轴承运转时间。dt—时间的微段。

1.1.2 滚动体与内滚道摩擦生热

轴承滚动体绕轴心高速运转时，滚动体本身做自转，并与内滚道摩擦产生热量，其产生热量为Q2：

式中：Mq—滚动体摩擦力矩。ωq—滚动体转动的角速度。t—转动时间。

1.1.3 滚动体与润滑脂拖动生热

轴承滚动体在运转时，与润滑脂产生相对拖动，其产生热量为Q3：

式中：dq—滚动体直径。—滚动体摩擦力平均值。ωq—润滑油转动角速度。ωp—滚动体绕周向角速度。

1.1.4 其他发热

轴承在高速转动过程中，保持架与滚动体和润滑脂之间均有摩擦生热，其发热量为Q4：

式中：q1—滚动体与保持架之间摩擦生热。q2—润滑脂与保持架摩擦生热。

以上为主轴陶瓷轴承发热的4 种主要形式[1]，其总发热量为：式中：Qa—轴承运转所引起的发热量。Qi—引起轴承发热的各个因素。

轴承的热量传递可分为3 种基本类型：对流、传导和辐射，通过以上3 种形式向外传递，导致主轴整体温度升高。

1.2 频繁换刀

钻攻机优势在于其钻孔及刚性攻丝的速度，而换刀速度是钻攻机的基本属性，初步统计深圳某公司某项目四序在2 h 内换刀次数，见表1。

表1 某项目2H 换刀次数

理想的弹簧压缩只会发生弹性变形，动能会完全转化为弹簧弹性势能，该压缩过程是不会发热的。但在实际弹簧在压缩过程中，除弹性变形外，同样有小幅的塑性形变，动能一部分通过弹性形变转化为弹性势能，另一部分通过塑性形变转化为其内能发热，其热量为Qb：

式中：Qb—弹簧压缩导致的发热量。n—换刀次数。q—一次换刀弹簧塑性形变产生的热量。

1.3 切削热

钻攻机进行金属切削时，其他条件不变的情况下，越高的切削速度（S）会产生越多的热量；更高的速度进给量（F）会加大切削刃中受高温所影响的区域。通常情况下，在以高速铣削加工为主的断续切削工况中，刀具的切削刃槽型、切削速度、进给量、背吃刀量的选择对热量的产生、吸收和控制都有不同程度的影响。

1.3.1 切削刃槽型

选择适当的铣刀本体的几何角度、切削刃开槽形状、刃数及是否涂层，有助于控制热量产生。标准铣刀分为二刃，三刃，四刃及六刃，刃数越多，刀具强度越高，但越不利于排屑及排热。通常情况下，加工铝合金，镁合金，压铸铝，选择非涂层合金刀具；加工铁、钢、铜等产品，选择涂层合金刀具。非涂层刀具强度低于涂层刀具，但非涂层刀具较涂层刀具更锋利，同时更利于热量排出。

1.3.2 切削用量的选择

切削用量包括切削速度、进给量、背吃刀量。增加切削用量通常会产生更多的切削热量，减少了加工时间并提高生产率，但降低了刀具的使用寿命及工件的加工精度。此时，降低切削用量可将温度降至可接受的水平。加工中，要选择合适的切削用量。

通常，整个加工系统会吸收金属切削过程中所产生的热量，85% 进入切屑及切削液，约8%进入工件，5 % 进入刀具，2%散入空气，其中进入刀具的热量20%传入主轴锥孔，再通过热传递向内部传递，其热量为Qc。

综上，钻攻机在加工中，使主轴产生温升的热量为Q：

式中：C—主轴比热容。M—主轴质量。ΔT—主轴温升。

2 温升的影响

2.1 加工精度

作为3C 行业首选的钻攻机是一款集速度和精度于一体的高精度加工设备，主轴是钻攻机上提供加工主动力的核心部件。研究表明，主轴热误差占机床总误差比例最大可以达70%[2]。其中，主轴热伸长表现尤为突出，该误差沿主轴轴线方向，钻攻机为Z 向，亦为加工误差敏感方向。主轴的精度对于整台机床精度有着十分重要的影响。该文对主轴热伸长进行了测试，数据如图1 所示。

根据以上数值可以看出，当温度在室温到95℃之间变化时，主轴热伸长数值波动为0.024 mm，并且当温度在45℃~75℃之间变化最为明显。钻攻机在加工过程中，主轴热伸长影响其Z 值变化，随着加工时间的增加，热伸长数值越大，越影响加工零件的加工精度。

3.2 主轴轴承的使用寿命

轴承的寿命与载荷间的关系可表示为[3]：式中：L10—基本额定寿命。ft—温度系数，数值选取见表2。C—基本额定动载荷。P—当量动载荷。ε—寿命系数。

表2 温度系数表

可以看出，轴承的使用寿命随着温度的升高而降低，且温度越高，降低的梯度越大。

3.3 刀库使用寿命

市面现有钻攻机，多为转塔式结构，该刀库具有换刀速度快，响应迅速等特点，但相对机械手刀库，刀夹相对薄弱。目前钻攻机最高转速多为20 000 rpm，在高速运转中，需要3 000 N的拉力。根据分子运动论，分子在永不停息的做无规则运动，且温度越高，分子热运动越剧烈，更容易使刀柄与主轴锥孔产生粘连，在持续“高速转动-粘连-换刀-高速转动-粘连-换刀”的过程中，刀夹在较大的交变应力作用下，易使得刀夹根部产生疲劳破坏，从而影响刀库的使用寿命。

4 降低主轴温升的措施

4.1 选取适中的加工参数

切削用量是影响主轴受到轴向及径向力的主要来源，在加工过程中需要选择合理的切削用量才能够充分利用刀具的切削性能及机床性能。不同的加工性质，对切削加工制订不同切削用量，就是要在已选择好刀具和加工材料的基础上，确定合理的切削深度ap、进给量f 及切削速度vc。

粗加工时，需尽量保证较高的金属去除率及必要的刀具耐用度，所以一般优先选用尽可能大的切削深度ap，其次选择较大的进给量f，再根据刀具耐用度要求，确定合适的切削速度vc。半精加工和精加工的加工余量一般较小，可一次切除，但有时为了保证工件的加工精度和表面质量，也可采用二次铣削。多次铣削时，应尽量将第一次走刀的切削深度取大些，一般为总加工余量的2/3~3/4。钻攻机精加工余量多为0.03~0.08，并通过一次铣削完成工件加工，高转数vc，大进给f，小切削量ap，以保证加工出高品质的产品[4]。

图1 主轴温升-热伸长统计图

只有选择合理的切削用量，才能将机台性能发挥到极致，同时保证不至因主轴轴承受力过大，而导致的主轴温度升高过高，从而影响机台的加工精度。

4.2 优化主轴轴承的安装方式

采用合理的安装调试方式，适合的安装工具，以及无尘的车间环境，是轴承获得较高速度、较低温升较、较高精度的必要条件。优化主轴轴承的安装方式对提高主轴的使用寿命至关重要，假设主轴材质为各项同性材料，优化安装方式能够保证主轴轴承径向及轴向受力的均匀性，如采用热装法，均匀施压安装法等安装方式。陶瓷轴承的精度为6 级，即与主轴轴承装配的内轴心与外轴心分别选取6 级的加工精度，以保证后续的动平衡达到G0.4 等级。钻攻机主轴轴承采用过盈配合安装，当主轴直径d ≥80mm 时，采用热力安装法，将其加热至80℃后进行安装。钻攻机主轴采用轴承预加载荷的方法，可以提高轴承的刚度，但预加载和要适度，否则轴承克服摩擦所作的功会转化为热量，这样反而导致主轴过高的温升，从而造成轴承系统的损坏[5]。

4.3 加装主轴油冷机

主轴是钻攻机中重要的组成部分，由于钻攻机主轴转速很高，常规钻攻机主轴转数为20 000 rpm，运转时产生大量的热，引起主轴温升，从而影响主轴的正常工作。油冷机在油泵作用下，将冷却油强制的在主轴外圈与主轴箱之间进行流动。根据热力学第二定律，存在温差的地方必定有热量的转移，并且温度总是从高温物体向体温物体传递。加装油冷机后，主轴将热量传递给循环的冷却油，之后冷却油再进入油冷机，在压缩泵作用下进行冷却，从而进行循环使用。