数控车床主轴热特性测试分析

王 莹

(辽宁装备制造职业技术学院，辽宁 沈阳 110161)

在实际的数控车床加工中，一些误差例如原始误差、控制系统误差等，都会导致实际加工质量大大下降[1]。其中，以主轴系统热特性对加工精度影响最大，下文以CAK3675经济数控车床为例进行热特性测试分析。

1 热特性理论

产生机理：车床热误差会导致刀具及工件位置偏移，降低加工精度[2]。若车床主轴高速旋转，热量将以传导、对流、辐射方式传递，这种热量变化都会导致主轴升温的，其升温速度并不完全相同，就会导致部分零部件热变形变化严重。主轴的前后端轴承热变化，以及其他热源变化，都会导致主轴发生偏移变化，进而发生径向弯曲[3]。

2 测试实验

2.1 实验工况

冷态数控车床进行实验，为确保实验数据准确，12h前就静置车床，停止使用，为实验准确性提供支持。具体测试中，测量温度上升，以专业的FLIR热成像仪将变化展示出来，测试得到的数控车床主轴轴承及不同热源的实际温度，了解其温升变化。CAK3675车床主轴转速可达3000-4000r/min，为确保车床高速运行安全，对各个时间更好比对，温升实验中，仅以2000r/min转速实验，实验持续3h，环境初始温度为4℃。

2.2 主轴系统温升结果

图1

主轴系统温升如图1所示，其最高温度达到219℃，最低温度为56℃。

测试结果表示，主轴以2000r/min持续运转3h后，发现温度发生变化并不明显，主轴实际运行较稳定，加工精度有所保障。但是，主轴前轴承端最近实验点--SP14在3h持续工作中温度达到最高，温度为21.398℃。

2.3 主轴系统热变形结果分析

对主轴热变形进行试验，是分析主轴正常工作状态下，是否发生热位移，观察其变化。例如，在热变形中观察到车床不同方向线位移、热伸长、角位移等。在车床主轴设置φ=45mm，300mm长的检棒，约每1s后就记录一次数据。设置5个传感器，安装在机床X、Y、Z方向上，X、Y各安装两个传感器。

通过实验数据得出，数据车床以中等速度持续运行3h之后，其温度上升稳定。在整体实验过程中，主轴在X方向最大位移达到0.0307mm，最大角位移达到0.0101mm/150mm；而在Y方向最大线位移为-0.0406mm，最大角位移达到0.0016mm/150mm。主轴最大伸长达到0.0428mm。通过专业的米铱激光三角测量仪支持，将实验结果显示在显示屏上，得到车床升温中，主轴X及Y方向变形曲线图，如图2、图3。

图2 X方向主轴热变形变化

图3 Y方向主轴热变形变化

3 实验结果分析

通过研究，发现该数控车床主轴运行3h之后，发现主轴系统温度整体较为稳定。整体主轴箱的温度达到最高时，可为21.398℃，其温升为16.584℃。此外，主轴经过3h的持续运行后，受热达到最大热伸长，数据显示为0.0428mm，此时，机床主轴轴线发生过位移，X方向发生了-0.0307mm线位移，其角位移达到0.0101mm/150mm。而机床主轴在Y方向也存在最大线位移，数据显示为-0.0406mm，其角位移达到0.0016mm/150mm。对实验结果分析，发现在实验中，主轴检验棒发生位移，其向车床内部及上部偏移，其变形方向、大小如图4所示。

从上述分析发现，若数控机床主轴飞速旋转，主轴运转升温，主轴西方的床身起到对主轴的有效支撑，而主轴发生热变形后，则其箱将会逐渐向上倾斜。车床前后轴承位置温度存在差异，实验发现，主轴箱表面各点最大温差为4℃，实验表示，对应主轴箱前后的温度升温速度不一样，就会导致最终出现蛋白变形也不一样。其中，前轴承的发热较为迅速，则导致前方变形大于后端变形，主轴逐渐向上倾斜。此外，倾斜还受车床前后轴承预警力影响。

图4 主轴检验棒向车床偏移的方向及大小示意

4 结束语

综上所述，以米铱激光三角测量仪测量实验中车床主轴热位移变化，通过专业的设备实验分析，最终得到以下结论：一方面，温升上主轴及轴承摩擦产热，主轴轴承温度最高，且前轴承温度高于后轴承温度。热变形上，车床X、Y、Z都有位移，且以Y方向位移变化最为明显。

因此，在实际工作中强化车床进度时，应考虑到车床持续工作导致的主轴上移及倾斜。