白向娟，李積元，茍衛(wèi)東，梁兆順

（1.青海大學 機械學院，西寧 810016；2.青海一機數(shù)控機床有限責任公司，西寧 810016）

0 引言

數(shù)控銑床主軸部件是銑床的核心功能部件之一，目前，常用的主要有機械主軸和電主軸兩大類。機械主軸主要有皮帶式主軸和齒輪式主軸，電主軸主要有直連式電主軸和內(nèi)藏式電主軸[1]。主軸部件在加工過程中，自身零部件的加工質(zhì)量與整體裝配質(zhì)量會直接影響主軸的回轉(zhuǎn)精度、振動、溫度、噪音等綜合性能，從而影響整機的性能。目前一些文獻的研究，就主軸的綜合性能而言，都為某個參數(shù)的單一測試，且與主軸的實際性能有一定的出入。

為了得到主軸的綜合性能參數(shù)，文章通過對數(shù)控銑床機械加工過程的研究，提出了一種針對數(shù)控銑床主軸綜合性能多參數(shù)集成化測量的測試評價方法，該方法結(jié)合本課題組設計的主軸檢測平臺，對主軸部件的振動、溫度、噪音、回轉(zhuǎn)精度、剛度、拉刀力、液壓泄漏、空載功率等性能參數(shù)進行檢測和綜合分析，通過對數(shù)控銑床主軸部件進行綜合評價，建立全面、系統(tǒng)、綜合的主軸性能評價體系。

1 主軸部件綜合性能參數(shù)

經(jīng)查閱相關主軸部件的研究資料，依據(jù)國家標準[2～6]以及影響主軸性能的關鍵技術參數(shù)，通過在工廠實習過程中的調(diào)研，確定了主軸部件的評價參數(shù)如表1所示。

2 主軸部件各性能參數(shù)檢測方法

在對主軸整體性能的測試過程中，分別同時對主軸的各個性能參數(shù)進行測量，最后將所有性能參數(shù)進行綜合分析與評價，測試原理如圖1所示。

2.1 回轉(zhuǎn)精度

主軸在加工工件的過程中，回轉(zhuǎn)精度的高低對加工件的圓柱度、形狀誤差精度有很大的影響。主軸的回轉(zhuǎn)精度就是主軸瞬間回轉(zhuǎn)中心線的空間位置相對于理想中心線的位置的偏離，其回轉(zhuǎn)的運動誤差有徑向跳動、軸向竄動和角度擺動三種形式[7]。目前，國內(nèi)外比較普遍的測量方法是單點法、兩點法及基于虛擬儀器測試法等。單點法是只在回轉(zhuǎn)主軸的一個敏感方向安裝傳感器進行測量的方法，其只能用于低速運轉(zhuǎn)的主軸回轉(zhuǎn)精度測量；兩點法是主軸在回轉(zhuǎn)過程中，在主軸兩個相互垂直的方向?qū)剞D(zhuǎn)誤差進行測量的過程；基于虛擬儀器測試法是在LabVIEW軟件中編寫程序，通過數(shù)據(jù)采集、處理最終測得主軸的回轉(zhuǎn)精度數(shù)據(jù)。本文對回轉(zhuǎn)精度的測量采用五點法，在電主軸不同轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)過程中，在主軸遠軸端、近軸端的兩對相互垂直的方向及主軸軸向端面的五個方向?qū)χ鬏S的回轉(zhuǎn)精度進行測量，即測量主軸兩個相互垂直方向上的兩組位移變化量以及端面跳動的位移變化量，如圖2所示。

表1 主軸部件檢測項目

圖1 檢測原理圖

圖2 回轉(zhuǎn)精度測量點的位置分布

通過五點法將主軸回轉(zhuǎn)精度的數(shù)據(jù)采集后，分離出主軸回轉(zhuǎn)精度誤差，得到特定轉(zhuǎn)速下誤差測試結(jié)果圖，再采用最小二乘法來評估主軸圓圖像的半徑差，被測得主軸的輪廓上的點到最小二乘圓圓心的距離為：

其中，xi，yi為最小二乘圓的直角坐標，半徑為R。根據(jù)幾何關系可知：

其中，ri為主軸實際外形輪廓上各點到坐標原點的距離。最后求得最小二乘法圓度誤差為：

從而得到主軸的回轉(zhuǎn)誤差值?；剞D(zhuǎn)精度值在國家標準要求以內(nèi)即可。

2.2 振動

主軸的振動會影響加工工件的表面粗糙度、刀具的磨損、加工噪聲等危害[8]，而在加工過程中主軸振動是不可避免的[9]，同時主軸振動機理比較復雜，影響因素眾多[10]。而由自身原因造成的強迫振動是主軸加工過程中最主要的振動形式，如軸承的松動、刀具的安裝不到位、電機回轉(zhuǎn)不平衡和主軸安裝精度不高等都會引起主軸在加工過程中的振動問題。主軸的振動類型可分為徑向振動、軸向振動、扭轉(zhuǎn)振動三種類型。反映振動量的物理量主要有加速度、位移和速度[11]。

圖3 振動測量點的位置

本文對主軸振動的測量，是在電主軸運轉(zhuǎn)時，分別對電主軸的軸向和徑向的位移量進行測量并記錄。由于電主軸支承刀具和工件的部位最能反映主軸的振動量，因此為了保證測量精度，測量點選取a、d兩點，如圖3所示。通過對軸徑向位移量的采集，模擬出振動頻譜曲線圖，從而測得不同轉(zhuǎn)速下電主軸的振動值，得到的振動值應符合以下的機床標準振動值，如表2所示。

表2 機床標準振動值

2.3 溫度

主軸在銑削加工過程中，由于內(nèi)部電機發(fā)熱、軸承滾動摩擦發(fā)熱、潤滑油摩擦熱等因素的影響，其自身的溫升會逐漸上升[12]。如不及時散熱會導致主軸內(nèi)部軸承預緊力的變化、軸承潤滑失效、軸心產(chǎn)生熱變形，嚴重時會導致主軸失效。電主軸的熱源主要有軸承發(fā)熱、轉(zhuǎn)子發(fā)熱以及切削熱。在主軸發(fā)熱過程中，軸承發(fā)熱和轉(zhuǎn)子發(fā)熱是主要的來源，而主軸椎孔離前軸承與轉(zhuǎn)子最近，與主軸發(fā)熱溫度最接近，因此要測量主軸的溫升，就要在不同轉(zhuǎn)速下分別監(jiān)測主軸椎孔內(nèi)的溫度變化。測點位置選取主軸前端端面的b、c兩點處，如圖4所示。

圖4 溫度測量點的位置

對采集的錐孔溫升曲線圖進行數(shù)據(jù)保存并滿足如圖5所示。

圖5 主軸時間-溫度曲線圖

主軸軸承達到穩(wěn)定溫度時，其溫度和溫升不應超過表3的規(guī)定。

表3 主軸軸承溫升規(guī)定

2.4 噪音

在主軸加工工件過程中，噪音主要來源于軸承、齒輪等傳動件以及切削產(chǎn)生的噪音，一般負載越大，噪音越大。當噪音超過一定值時，就會對人體產(chǎn)生危害。主軸噪音的測量采用三點包絡法進行測量。測量點位于主軸的中心線所在的平面內(nèi)。本文中測量點位置沿機床周邊布置，取機床正面、后面、側(cè)面共三個位置作標準測量點位置，如圖6所示。以測得的最大噪聲為主軸的噪音值。國家標準規(guī)定，主軸在空運轉(zhuǎn)過程中，一般機床噪聲聲壓級不應大于85bB，精密機床噪聲聲壓級不應大于75dB。通過采集的數(shù)據(jù)判斷主軸的噪音值是否在國家標準范圍內(nèi)，從而保證機床的正常運行。

圖6 噪音測量點的位置

根據(jù)表4，對所測電主軸的噪聲值進行修正記錄。

表4 電主軸噪聲檢測值修正

2.5 拉刀力

拉刀機構(gòu)是主軸的關鍵部件[13]，拉刀力的大小直接影響刀具定位可靠性，拉刀力過小則會導致刀套松動影響加工質(zhì)量，拉刀力過大又會導致主軸椎孔的變形等問題。在拉刀力測量過程中，當拉刀時，用測量裝置將碟形彈簧的拉刀力通過壓力傳感器測量并顯示在顯示儀上，從而測出主軸的拉刀力。

2.6 剛度

主軸的靜剛度對整個機床的靜剛度影響較大，其反映了機床抵抗外載荷的能力[14]，通常用在施加力F的作用下主軸產(chǎn)生的變形量來表示。主軸部件的靜剛度越大主軸端部的變形越小[15]，加工件的精度和表面光潔度就越好。為獲得主軸在加工工件時所能承受的最大載荷，對主軸進行剛度檢測，在檢測過程中用加載棒來代替刀具。在電主軸靜止時，通過加載裝置給加載棒分別在徑向和軸向分級施力/撤力，在施力的過程中，通過加載裝置上的力傳感器檢測施加力的大小，位移傳感器分別對加載棒的軸徑向的變形量進行測量，做好加載力與變形量的對應數(shù)據(jù)，最后測得不同加載力下電主軸的靜剛度值，得到剛度的量化數(shù)據(jù)及曲線。載荷與變形的關系圖滿足如圖7所示。

圖7 載荷-變形圖

施力點及測點位置的選?。?）測徑向剛度時，施力點為靠近加載棒伸出端的極限位置如圖8中F1點所示，測點位于施力點對稱于軸心線的位置如圖8中B1點所示。2）測軸向剛度時，施力點應盡量靠近軸心線如圖8中F2，測點位于加載棒軸向端面的邊緣極限位置如圖8中B2點所示。

圖8 測量靜剛度施力點及測點位置

3 檢測平臺

根據(jù)檢測項目及檢測方法，檢測主軸部件性能參數(shù)用主軸部件綜合檢測平臺[16]，如圖9所示。平臺主要包括T型工作臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、加載裝置、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及其執(zhí)行件、冷卻潤滑系統(tǒng)等。

其加載系統(tǒng)可實現(xiàn)對主軸軸向和徑向兩個方向的分級加載和卸載，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由各種型號的傳感器及其固定裝置、工控機、數(shù)據(jù)采集卡以及數(shù)據(jù)處理分析軟件組成。其中傳感器固定裝置采用Z型裝置，能安裝固定傳感器，并保證傳感器在X、Y方向的測試的軸心與電主軸軸心相重合。整個平臺可實現(xiàn)針對不同規(guī)格的主軸進行加載和數(shù)據(jù)采集。

測試時，只要將主軸單元與主軸箱的裝配體完全固定在T型工作臺上，并與控制系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等設備相連接，即可在線實時測量和分析，并將測試結(jié)果記錄下來，生成試驗報告。試驗原始數(shù)據(jù)可存貯和輸出，供以后查詢和管理。

圖9 測試平臺

4 試驗檢測分析

下面以剛剛裝配完成的GZ35000-1電主軸為試驗檢測對象進行綜合性能測試評價。主軸轉(zhuǎn)速18000r/min，主電機功率26kW，刀柄型號BT40。對主軸的溫度、振動、噪音、回轉(zhuǎn)精度等性能參數(shù)在主軸綜合性能測試平臺上進行測試，測試結(jié)果如下：

1）溫度

圖10 主軸7000rpm旋轉(zhuǎn)2小時及降溫的溫度數(shù)據(jù)

如圖10所示，為主軸在7000r/min下旋轉(zhuǎn)兩小時的溫度數(shù)據(jù)，從圖中可以看出，剛開始時電主軸的溫升較為明顯，當最高溫度達到26℃左右后溫度逐漸降低，并隨著時間的延長溫度逐漸趨于穩(wěn)定，當溫度降到12℃左右時主軸的溫度變化基本達到穩(wěn)定的狀態(tài)。

2）振動

圖11 主軸振動測試結(jié)果圖

如圖11所示，從1000～10000r/min的轉(zhuǎn)速下，主軸前后端的振動值，從圖中可以看出，在3000r/min前，主軸前端的徑向振動值要高于軸向振動值，隨著轉(zhuǎn)速的提高，徑向振動量逐漸與軸向振動量相差不大，當轉(zhuǎn)速高于8000r/min時，主軸軸向振動值遠遠高于徑向振動值，最大振動值達到3.5mm/s。

主軸后端的徑向振動值一直小于軸向振動值，且最大振動值基本趨于0，而軸向振動值隨著轉(zhuǎn)速呈上升趨勢，在8000r/min時，最大振動值達843mm/s。主軸后端軸承處的振動值要高于主軸前端軸承處的振動值。經(jīng)過后續(xù)的動平衡檢查，發(fā)現(xiàn)主軸未進行動平衡，因此可能造成主軸振動的主要原因之一。同時由于主軸后端安裝的零部件較多，從而導致主軸后軸承處的振動較大。

3）噪音

圖12 主軸10000rpm噪聲測試結(jié)果圖

如圖12所示，為主軸在10000r/min下旋轉(zhuǎn)1小時的噪音值數(shù)據(jù)，從圖中主軸噪聲的測量值可以看出，主軸的噪聲值低于一般精密主軸的噪聲值的范圍，滿足國家標準的要求。

4）回轉(zhuǎn)精度

經(jīng)數(shù)據(jù)測量，在6000r/min時的回轉(zhuǎn)精度如圖13所示，用最小二乘法對回轉(zhuǎn)精度進行評定，從測量結(jié)果看，主軸在徑向的回轉(zhuǎn)誤差值要大于軸向的回轉(zhuǎn)誤差。

圖13 主軸回轉(zhuǎn)精度測試結(jié)果圖

影響回轉(zhuǎn)精度的因素有：1）測試軸本身及配合零件的精度和裝配質(zhì)量的影響。2）從前面溫度測量結(jié)果來看，溫度變化不大，對回轉(zhuǎn)精度沒有太大的影響。3）回轉(zhuǎn)精度測量結(jié)果受振動影響。由于主軸單元振動的原因，主軸回轉(zhuǎn)中心線的空間位置，在每一瞬時都是變動的。從上述的振動測量結(jié)果來看，主軸的振動對回轉(zhuǎn)精度的影響很大。

5）拉刀力

圖14 主軸拉刀力測試結(jié)果圖

如圖14所示為主軸拉刀力的15次測量數(shù)據(jù)，從圖中可以看出拉刀力的范圍在5.7～6.4N之間，符合國家標準。

從以上的試驗測試數(shù)據(jù)可以看出，該主軸在運轉(zhuǎn)過程中噪音、溫度和拉刀力符合國家標準，但振動、回轉(zhuǎn)精度不在國家標準范圍之內(nèi)，經(jīng)測試后的檢查發(fā)現(xiàn)該主軸在安裝結(jié)束后未進行動平衡，從而使主軸的振動值偏大，回轉(zhuǎn)精度值也因此受影響，因此該主軸應先進行動平衡再經(jīng)測試合格投入使用。同時反映出依據(jù)本測試方法可以準確實時集成地測試主軸的綜合性能，對主軸的性能的評價以及優(yōu)化有指導作用。

5 結(jié)論

綜合檢測評價方法能夠結(jié)合測試平臺集成化的對機床主軸部件綜合性能準確地進行實時驗證和評價，通過測量主軸部件的性能參數(shù)，能夠分析主軸部件的可靠性及使用壽命，并且該檢測評價方法具有較高的自動化和集成化程度。同時也反映了主軸綜合性能測試平臺有方便、準確和實用的優(yōu)點。因此本主軸部件的綜合性能測試評價體系對于數(shù)控機床主軸部件的性能分析及其優(yōu)化有重要的實用價值。