立式加工中心主軸動(dòng)態(tài)誤差的測試及研究*

劉 闊 王冠明 馬曉波

（沈陽機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧沈陽 110142）

精密機(jī)床的質(zhì)量，取決于其關(guān)鍵部件的質(zhì)量，而精密主軸部件是保證精密機(jī)床加工精度的核心。主軸動(dòng)態(tài)誤差直接影響到機(jī)床的工作性能和壽命、工件圓度、表面粗糙度和平面度等，可以用來預(yù)測機(jī)床在理想加工條件下所能達(dá)到的最小形狀誤差并判斷產(chǎn)生加工誤差的原因。

國內(nèi)外很多學(xué)者對主軸的動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行了深入研究。張明［1］對空氣靜壓主軸回轉(zhuǎn)誤差測量理論、測試試驗(yàn)技術(shù)等進(jìn)行了研究;伍良生等［2］提出了一套主軸回轉(zhuǎn)精度的動(dòng)態(tài)測試系統(tǒng);孫艷芬［3］分析了主軸回轉(zhuǎn)誤差對工件加工精度的影響;彭萬歡等［4］分析了主軸偏心的影響和作用原理，并提出了合適的偏心消除方法。

本文通過對機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差的基本形式及其對工件加工精度影響進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，對不同轉(zhuǎn)速下的主軸回轉(zhuǎn)誤差進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并結(jié)合主軸的動(dòng)態(tài)特性測試結(jié)果進(jìn)行了分析，為機(jī)床的切削參數(shù)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)和理論基礎(chǔ)。

1 主軸動(dòng)態(tài)誤差的形式

在理想情況下主軸回轉(zhuǎn)時(shí)，主軸軸線的空間位置是固定不變的。但是機(jī)床主軸在實(shí)際工作中，由于軸承軸頸的圓度、軸承之間的同軸度、主軸的撓度等誤差，使主軸回轉(zhuǎn)軸線的位置發(fā)生變化。

主軸動(dòng)態(tài)誤差包括3種形式的誤差:徑向跳動(dòng)誤差、軸向竄動(dòng)誤差和角度擺動(dòng)誤差。通常情況下，這3種形式的誤差并不是單獨(dú)存在，而是以一種綜合結(jié)果體現(xiàn)，產(chǎn)生的加工誤差也是3種形式影響的疊加，也稱為主軸軸心漂移［5］。

2 主軸動(dòng)態(tài)誤差測試

采用API SPN－300主軸動(dòng)態(tài)誤差分析儀對主軸動(dòng)態(tài)誤差進(jìn)行測試。測試系統(tǒng)包括測試軟件、3個(gè)電容式傳感器（分別測試2個(gè)徑向誤差和1個(gè)軸向誤差）、校準(zhǔn)夾具和電源模塊等。測試的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可達(dá)25 kHz，采樣速率為256 000次/s，主軸最高測試轉(zhuǎn)速為60 000 r/min。

具體測試的誤差項(xiàng)目為主軸2個(gè)方向的徑向平均誤差和異步誤差、軸向平均誤差和異步誤差。平均誤差是主軸運(yùn)動(dòng)極坐標(biāo)圖的平均輪廓線，代表機(jī)床在理想切削條件下所能加工出工件的最好圓度。異步誤差是總誤差運(yùn)動(dòng)對平均誤差運(yùn)動(dòng)的偏離，代表在理想切削條件下機(jī)床所能獲得的加工表面粗糙度。

下面對某立式加工中心進(jìn)行主軸各項(xiàng)誤差測試，圖1為主軸動(dòng)態(tài)誤差的測試現(xiàn)場。

對主軸在50、100、300、500、750、1 000、1 500、2 000、2 500、3 000、3 500、4 000、4 500、5 000、5 500、6 000、6 500、7 000、7 500、8 000 r/min 的轉(zhuǎn)速下分別測試主軸動(dòng)態(tài)誤差，每種轉(zhuǎn)速下測試3次。圖2為主軸在50 r/min時(shí)的測試結(jié)果。

將主軸誤差的測試結(jié)果進(jìn)行整理，主軸徑向平均誤差和異步誤差測試結(jié)果如表1所示。

表1 主軸徑向動(dòng)態(tài)誤差測試結(jié)果

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，繪制主軸徑向平均誤差和異步誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如圖3和圖4所示。

主軸軸向平均誤差和異步誤差測試結(jié)果如表2所示。

表2 主軸軸向動(dòng)態(tài)誤差測試結(jié)果

將數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，繪制主軸軸向平均誤差和異步誤差與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如圖5和圖6所示。主軸最小徑向間距的測試結(jié)果如表3所示。

將主軸最小徑向間距的數(shù)據(jù)導(dǎo)入MATLAB，繪制主軸最小徑向間距與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線，如圖7所示。

表3 主軸最小徑向間距測試結(jié)果

3 誤差分析

從圖3和4中可以看出，主軸徑向誤差隨轉(zhuǎn)速的變化較大，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高將產(chǎn)生附加徑向載荷或變形，并且主軸徑向剛度相對較弱導(dǎo)致的。

從圖5和6中可以看出，主軸軸向誤差隨轉(zhuǎn)速的變化較小，這是因?yàn)檗D(zhuǎn)速的提高并不直接產(chǎn)生附加軸向載荷或變形等問題，并且軸向剛度相對較高導(dǎo)致的。

4 結(jié)語

本文對主軸動(dòng)態(tài)誤差的類型及其對加工精度的影響進(jìn)行了分析。采用API動(dòng)態(tài)誤差分析儀對某立式加工中心的徑向平均誤差和異步誤差、軸向平均誤差和異步誤差以及主軸最小徑向間距進(jìn)行了測試，給出了詳細(xì)的測試數(shù)據(jù)，并且得到了各誤差項(xiàng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系圖，最后對測試結(jié)果進(jìn)行了分析。測試數(shù)據(jù)和分析結(jié)果對主軸動(dòng)態(tài)誤差分析具有非常重要的參考意義。

［1］張明．空氣靜壓主軸回轉(zhuǎn)誤差測量技術(shù)研究［D］．綿陽:中國工程物理研究院，2008．

［2］伍良生，楊勇，周大帥．機(jī)床主軸徑向回轉(zhuǎn)誤差的測試與研究［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（1）:107－109．

［3］孫艷芬．關(guān)于機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差對加工精度的影響［J］．裝備制造技術(shù)，2009（11）:119－120．

［4］彭萬歡，趙午云，陶繼忠，等．精密主軸回轉(zhuǎn)誤差測試的偏心分析［J］．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2008，（12）:83－85．

［5］孫英達(dá)．機(jī)床主軸回轉(zhuǎn)誤差對零件加工質(zhì)量的影響及可采取的技術(shù)措施［J］．機(jī)械，2003，（30）:232－233．