磨床主軸熱特性分析及熱變形補償策略

機電技術(shù)2014年4月磨床主軸熱特性分析及熱變形補償策略張祥雷馮偉陳站羅琪(廈門(mén)大學(xué)物理與機電工程學(xué)院,福建廈門(mén)361005)摘要:針對五軸數控可轉位刀片周邊工具磨床建立了砂輪-主軸-軸承-主軸箱的主軸部件有限元模型,分析了主軸部件的熱源及其發(fā)熱量的計算公式,通過(guò)有限元仿真計算得到磨床主軸的熱穩態(tài)溫度場(chǎng)和熱變形量,進(jìn)行了主軸熱特性分析。在不增加溫度、位移傳感器的基礎上提岀了有效的主軸熱變形補償策略,實(shí)現刀片加工精度達到5μm的精度要求關(guān)鍵詞:主軸靜剛度;軸承-轉子系統;軸承剛度;熱變形補償中圖分類(lèi)號:TH161文獻標識碼:A文章編號:1672-4801(2014)02-002-03主軸單元作為磨床的關(guān)鍵部件,其熱特性直五軸精密數控可轉位刀片周邊磨床如圖1所接影響磨床加工的精度和穩定性,對其進(jìn)行準確示,磨床主要由床身、主軸、臥式回轉工作臺、立式的分析至關(guān)重要。國內學(xué)者吳玉厚對高速電主軸回轉工作臺、頭架、尾架、高精度兩坐標直線(xiàn)工作單元的工作原理、結構、關(guān)鍵技術(shù)和性能分析等方臺、砂輪架、修整器等部件組成。圖2為磨床的主面有較全面的論述。蘭州理工大學(xué)對HMC80臥軸部件,通過(guò)工程分析,它有兩個(gè)主要熱源:一是式加工中心電主軸熱、動(dòng)態(tài)特性分析及耦合進(jìn)行電機,主軸電機在空轉或加工時(shí)所消耗的功率轉了研究。浙江大學(xué)的蔣興奇對主軸軸承的熱特變?yōu)闊崃?二是軸承,主軸軸承在高速運轉中存在性進(jìn)行了較深人的研究,并推導了軸承熱變形對的復雜摩擦生成熱量,直接導致主軸部件的熱變軸承動(dòng)力學(xué)特性的影響。在以上研究的基礎形,嚴重時(shí)甚至會(huì )發(fā)生金屬粘結燒傷現象,使軸承上,本文針對自主開(kāi)發(fā)的五軸數控精密可轉位刀失效。本文分析暫不考慮磨削熱的影響。片周邊磨床的主軸部件的熱特性進(jìn)行了研究,分2主軸部件的熱態(tài)特性分析析其達到熱穩態(tài)時(shí)溫度場(chǎng)和熱變形,提出有效的主軸熱變形補償策略,為提高工具磨床的穩定性21主軸電機的發(fā)熱計算提供理論依據主軸電機的損耗一般分為4類(lèi):機械損耗、電1主軸部件的主要熱源分析損耗、磁損耗和附加損耗。前三類(lèi)損耗通常稱(chēng)為主要損耗,附加損耗在總的損耗總所占比例很小約為額定功率的1%~5%,可忽略不計。故電機EG產(chǎn)生的熱量可采用下式計算P=TporL+/R+bfB(1)式中,a為摩擦系數;p為空氣密度;ω為角速度r為轉子的外半徑;L為轉子的長(cháng)度;/為電流;R為導體的電阻;b為與電工鋼牌號有關(guān)的常數;f為磁化頻率;B-為磁感應強度最大值。22軸承的發(fā)熱計算圖1磨床整機外觀(guān)圖軸承的摩擦是內外套圈相對運動(dòng)時(shí),軸承內部各元件對該運動(dòng)阻抗的總和。根據 Palmgren理論,摩擦力矩M主要由空載時(shí)潤滑油粘性所產(chǎn)生的摩擦力矩YHE中國煤化工作用產(chǎn)生的摩擦力矩MCNMHG算公式如圖2主軸部件簡(jiǎn)圖*國家科技重大專(zhuān)項(2010ZX04001-162)乍者簡(jiǎn)介:張祥雷(1987-),男,在讀博士,研究方向:復雜曲面成形與精密數控裝備制造技術(shù)研第2期張祥雷等:磨床主軸熱特性分析及熱變形補償策略7nM=10 o(ny)"dSODAL SelETIONcTi:=013+103f(P0/C0)°Pdn式中,n為軸承轉速;M為軸承摩擦力矩;f。、f為相關(guān)系數;y為運轉溫度下潤滑劑的運動(dòng)粘度dn為軸承的平均直徑;P為軸承的等效靜載荷C為軸承額定靜載荷;P為決定摩擦力矩的當量載荷。2.3主軸部件的熱態(tài)特性分析對于五軸工具磨床主軸部件的熱態(tài)特性有限圖4主軸熱變形云圖元分析在如下條件下進(jìn)行主軸部件的熱變形控制1)假設主軸電機的功率損失全部轉化為熱減小磨床的熱變形誤差一般有兩種方法:誤量,其值由公式(1)計算差防止和誤差補償法。2)前軸承采用角接觸陶瓷球軸承,后軸承為誤差防止就是通過(guò)提高磨床的設計、制造和精密雙列圓柱滾子軸承,前后軸承的生熱量由公裝配途徑來(lái)減少或消除磨床原始誤差的方法,這式(2)計算;種靠提高磨床制造精度和安裝精度來(lái)減少磨床誤3)主軸冷卻系統的冷卻油流量為Q=2.Lmin,差的方法存在很大的局限性,而且經(jīng)濟代價(jià)較高。入口溫度為T(mén)=20℃近年發(fā)展起來(lái)的誤差補償是一種減少熱變形4)環(huán)境溫度為T(mén)=20℃。的經(jīng)濟有效的方法。磨床誤差補償就是人為制造圖3為主軸部件采用油冷時(shí)的溫度場(chǎng)分布種新的誤差去抵消磨床的原始誤差,隨著(zhù)數控主軸轉速為2800rmin,提取仿真的數據可以得到磨床的大量應用,相應地產(chǎn)生了熱誤差數控補償主軸電機的最高溫度為4.3℃,前軸承的最高溫技術(shù),通過(guò)分析磨床熱誤差變化規律建立熱誤差度為36.2℃,后軸承的最高溫度為395℃。補償的數學(xué)模型,利用布置在磨床上的傳感器實(shí)時(shí)測量磨床的溫度和熱變形,就可以實(shí)現磨床熱s:a24誤差的動(dòng)態(tài)補償。對于五軸數控磨床而言,其本身的制造和裝配精度已經(jīng)很高,采用誤差防止的方法減小熱誤差將會(huì )大大增大成本,采用誤差補償的方法則可以花很小的代價(jià)獲得較髙的磨床精度。通過(guò)布置溫度和位移傳感器建立主軸的熱誤差模型,然后通過(guò)數控系統實(shí)施補償,便可以實(shí)時(shí)測量并補償圖3主軸部件的熱穩態(tài)溫度云圖主軸的熱變形誤差。另一種補償方法是每次測量采用順序耦合的方式,將主軸部件底部施加磨削后的可轉位刀片內切圓直徑,將實(shí)測值跟標全約束,加載溫度計算的結果,獲得主軸在熱穩定稱(chēng)值做比較,如果偏差值在3μm以?xún)?則認為是正常偏差范圍,不進(jìn)行補償;如果偏差值超過(guò)時(shí)的熱變形云圖,如圖4所示。從圖中可以看出主軸發(fā)生膨脹并彎曲,最大的變形量發(fā)生在砂輪3μm,則補償偏差值的一定比例,如90%。該方法上端面,變形值達到了132μm。這主要是由于砂避免了使用溫度傳感器,不需要加工前的熱機時(shí)輪軸電機、軸承產(chǎn)生的熱量使砂輪主軸產(chǎn)生熱膨間,并且可補償包含熱、幾何等誤差,是一種綜合性的補償方法。經(jīng)現場(chǎng)驗證,該方法將可轉位刀了其的￥曾的產(chǎn)能xtYH圖國煤化工MHG進(jìn)行控制。針對五軸數控可轉位刀片工(下轉第10頁(yè)10機電技術(shù)2014年4月1)刀架預緊力過(guò)大。當用扳手松動(dòng)蝸桿端部3)電源不通,電機不轉。檢查線(xiàn)路是否完好,時(shí)不易轉動(dòng),且需用較大力氣才可以轉動(dòng),若下次電源開(kāi)關(guān)是否良好接通,開(kāi)關(guān)位置是否正確。電夾緊后刀架仍不能正常啟動(dòng),則可以斷定是預緊源通,電機反轉,可確定為電機相序接反,可通過(guò)力過(guò)大造成的?？赏ㄟ^(guò)調小刀架電機夾緊電流排檢査線(xiàn)路變換相序排除之,若手動(dòng)換刀正常,機控除之。不換刀,則應該檢查微機與刀架控制器引線(xiàn)、微機2)刀架內部機械卡死。當旋轉刀架內部的蝸IO接口及刀架到位回答信號。桿,無(wú)論順時(shí)針或逆時(shí)針都無(wú)法旋轉時(shí),其原因是5結束語(yǔ)機械卡死。第一,檢査是否有螺母鎖死情況,若本文采用PLC為中心的設計程序,配合數控有,應及時(shí)調整;第二,檢查夾緊裝置反靠定位銷(xiāo)系統已成功的應用于經(jīng)濟性數控機床刀架部分改是否在反靠棘輪槽內,若在,則需要將反靠棘輪與螺桿連接銷(xiāo)孔回轉一個(gè)角度重新打孔連接;第三,造。實(shí)踐證明,整個(gè)系統具有一定的通用性,運行穩定,安裝調試方便,可根據車(chē)床實(shí)際情況靈活的檢查是否由于潤滑系統不良造成蝸桿鎖死,若有,應及時(shí)拆開(kāi),査清實(shí)際情況,加以潤滑處理更改刀位數等。參考文獻[廖常初西門(mén)子人機界面[M北京:機械出版社,2007[2]李華主機械制造技術(shù)M北京:高等教育出版社,20003]張興國可編程序控制器技術(shù)應用[M]北京:中國電力出版社,20064祝紅方PLC及其在數控機床上的應用M]北京:人民郵電局出版社,20079,99,9999,9,9,99,99,999(上接第3頁(yè))具磨床的主軸進(jìn)行熱特性分析,應用有限元軟件分析主軸熱特性的基礎上提出了減少其熱變形的獲取主軸的熱穩態(tài)溫度及熱變形云圖,驗證了主補償方法,確?？赊D位刀片加工精度的穩定性與軸在電機、前后軸承處發(fā)生較大的溫度變化,并得保持性達到工程要求。到了主軸在熱穩定狀態(tài)時(shí)的最大變形量,最后在參考文獻吳玉厚數控磨床電主軸單元技術(shù)[M]北京:機械工業(yè)出版社,2006[2]趙躍超.HMC80臥式加工中心電主軸熱、動(dòng)態(tài)特性分析及耦合研究[D蘭州:蘭州理工大學(xué),20113]蔣興奇主軸軸承熱特性及對速度和動(dòng)力學(xué)性能影響的研究D杭州:浙江大學(xué),20014]蔣興奇,馬家駒,趙聯(lián)春高速精密角接觸球軸承熱分析J軸承,20008:1-45]肖章林,劉玉榮,張伯霖.高速數控磨床主軸軸承的油氣潤滑技術(shù)機機械開(kāi)發(fā),1998(3)18-2316 Mohammed. 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