关键词： 附件
主轴精度（精选四篇）
主轴精度 篇1
SX10-80/20I型伸长铣头是我公司为中国一重集团公司生产的TK6920型数控落地铣镗床的附件之一, 该附件通过更换滑枕前端护板与滑枕连接, 机床主轴前端双键与铣头底座上的联轴器连接传递运动和扭矩。该附件大大拓宽了主机的加工范围, 如图1所示是该铣头部分剖示图, 不同于以往铣头主轴后轴承直接装在主轴与铣头体4之间的设计。该铣头弧型圆锥齿轮2装在主轴1上, 主轴后轴承3装在齿轮2及铣头体4之间。虽然齿轮2与主轴1按单件加工合格, 但在装配后初检精度时, G4项即主轴锥孔轴线的径向跳动b值 (在距主轴锥孔端150mm处) 为0.03mm以上, 超出Q2B 098-91《落地铣镗床伸长铣头精度》检验标准的公差值 (0.015mm) , 而其它4项精度均符合标准。
1.主轴 2.弧型圆锥齿轮 3.轴承 4.铣头体
2 问题的分析及加工工艺的改进
根据装配经验, 影响振摆精度 (G4项) 的主要因素是围绕主轴后轴承的尺寸链, 从装配尺寸链观点来看, Δ=Dn-1-Dn, 其中:Dn-1-孔的直径;Dn-轴的直径;Δ-轴与孔的配合间隙。
装配的主要任务是需满足封闭环Δ所规定的精度。尺寸链中的每一个零件 (如组成环D1与D2) 都有本身的公差, 封闭环Δ的允许公差等于各组成公差之和。即
从上式中及实际我们也看出, 组成环增加, 相应的公差亦增加。在通过检验铣头体4及轴承3并确定其影响可以忽略时, 最后确定影响此项精度的关键因素是: (1) 齿轮2内外孔的同轴度公差; (2) 齿轮2与主轴1配合公差。以上两项的累积误差导致了前面讲的精度超差。
基于以上分析, 我们重新组织生产主轴1与齿轮2, 并对以前的加工工艺作了如下调整及改进 (如图2) : (1) 磨齿轮2内孔准40H6后, 磨外圆准65js6时再留磨量;按齿轮2的φ40H6配磨主轴1的φ40k6, 保证间隙在0～0.005mm; (2) 将齿轮2、键及调整垫5装于主轴1上, 拧紧锁紧螺母, 找正, 一次性按要求磨出分别与两轴承内环配合的外径φ65js6、φ70m6及定心轴径φ88.88h5各圆。
1.主轴 2.弧齿圆锥齿轮 3.工艺堵 4.锁紧螺母 5.调整垫
3 结语
把改进加工工艺后加工的各件按图1重新装配, 经检测各项精度均符合标准。按《铣头补充验收技术要求》与主机挂接并切削后, 复检精度, 仍符合检验标准。
主轴精度 篇2
随着机械工业的发展, 对加工效率要求越来越高, 传统的单主轴单通道车床在一定程度上很难满足要求, 因此促成了更高效的双主轴双通道车床的诞生。顾名思义, 双主轴双通道机床的每个主轴都有一个与之对应的独立的X、Z进给系统, 在两主轴上可同时独立加工不同的零件。在由单主轴到双主轴的演变过程中, 由于结构的改变, 使得机床在几何精度与单主轴单通道有所区别。本文就此作以分析探讨。
1 提出问题
按照国标GB/T9895.1.1999《数控立式卡盘车床精度检验》, 与传统单主轴单进给机床相比, 双主轴双通道机床在几何精度上在以下几项精度上有所区别:1) G1项机床水平;2) G4项刀架横移对主轴轴线的垂直度;3) 共振问题。
2 问题分析
如图1所示, 双主轴双通道机床当两个主轴在同一个底座上, 靠加工及装配很难保证两个主轴轴线的平行度, 因此不能完全保证主轴1、主轴2同时绝对水平, 无法保证G1项精度。即便能达到国标或者企业标准所要求的精度, 由于无调整环节, 想进一步提高此项精度非常困难, 几乎不可能实现。当两个X、Z进给在同一个立柱上的时候, 而两个主轴轴线的平行度又无法保证, 即便通过刮研立柱与底座结合面也只能保证通道1或者通道2其中一个的G4项精度, 另一个通道无法保证。同时, 当两主轴同时运转的时候, 不可避免地会产生共振问题, 影响加工精度及刀纹。
3 改进设计
针对以上问题及其产生的原因, 如图2所示, 在设计时可考虑从一下几个方面来解决上述问题:1) 将底座分成两个, 使主轴1和主轴2拥有各自的底座1和底座2, 这样可以通过单独调整两底座的绝对水平, 满足了G1项精度。由于普通数控立式车床对机床水平的要求不是特别高, 也可以同时兼顾主轴1和主轴2的水平, 在两者之间找一个相对水平。同时, 将底座分成两个, 也避免了两主轴同时运转时产生的共振问题, 排除了由于共振带来的加工质量问题。只需要在调整好G1项精度之后再将两个底座连接起来即可。2) 在传统装配中, 靠刮研立柱与底座结合面来保证一个通道的G4项精度是一种常用方法, 如果同样将立柱一分为二, 可分别通过刮研结合面1和结合面2来保证通道1和通道2的G4项精度。
4 结论
通过上述改进设计, 将底座和立柱分开, 有效地解决了由单主轴单通道到双主轴双通道演变过程中产生的几何精度问题, 在机床加工效率大大提高的同时又不损失机床精度, 保证了加工质量。
参考文献
[1]现代实用机床设计手册编委会编.现代实用机场设计手册:上册[M].北京:机械工业出版社, 2006.
主轴精度 篇3
"机械零件的加工精度与机床热误差引起的制造误差息息相关，文献[1,2]的研究表明：在精密加工中，热变形所引起的制造误差占总制造误差的50%～70%。主轴系统作为机床的重要组成部件，其热变形误差是机床热误差的主要来源[3,4]。因此，主轴系统热特性的研究与分析是保证机床的制造精度关键所在。
机床工作时，在内外热源的作用下，主轴系统的组成部分形成各自的温度场，各组成部分热膨胀性能不一致会导致空间机械结构发生热变形，引起零件的加工误差。受动力学、静力学、热变形以及轴承和轴颈的加工误差等的影响，数控车床主轴瞬时回转轴线在空间位置是不断变化的。实验结果表明：精密车削的圆度误差约有30%～70%是由主轴的回转误差引起的，且机床的精度越高，所占的比例越大[5]。主轴回转精度反映了车床的动态性能，与车床所能达到的加工精度息息相关。车床加工过程中产生的主轴热变形也对主轴回转精度有较大影响，对其进行检测和补偿控制可提高加工精度[6]。随着高速高精机床的广泛应用，检测精度和效率逐渐提高，检测方法从静态检测迅速向动态、在线检测发展。轴系回转误差的测量已从单向测量转向多点测量，测量精度不断提高[7]。
测量主轴回转热误差时，实际的主轴回转轴心是不可见的，只能通过对装卡在主轴上的标准检棒外部轮廓的测量来间接获取主轴轴心的运动轨迹。这样一来，测量结果不可避免地混入了标准检棒的形状误差和安装误差。对于具有高回转精度的精密主轴，混入的形状误差或安装误差有时甚至会淹没掉微小的主轴回转误差，所以对于高精密车床主轴回转误差的测量，混入的形状误差和安装误差不能忽略，必须采取有效的方法从测量信号中分离并去除由测量系统引入的、影响测量精度的信号分量，从而获得主轴回转精度[8,9]。本文以复向量描述的主轴回转精度理论为基础，运用FFT方法对信号进行分解处理，通过分析剔除对主轴回转精度无影响的成分，提取出主轴回转精度，进而评定机床主轴热变形的回转精度并分析其加工精度。
1 主轴热误差测量原理
主轴系统的热变形包括轴向热窜动和径向热变形。测量轴向热窜动时，只需在主轴悬空端安置一个电涡流传感器进行测量即可。主轴径向热变形是二维变量，应采用双向正交法进行间接测量。测量结果包含了主轴制造和安装的误差、热变形等误差，要准确评估主轴热变形对加工精度的影响，需要从综合误差中将热变形误差分离出来。机床主轴回转精度的测量原理是：主轴电机带动主轴做回转运动时产生的径向跳动，使电涡流传感器与被测件表面间的距离发生变化，通过电涡流传感器和信号转换装置将其转换成模拟电压信号，进行定时采集。主轴回转精度对精加工零件的形状精度和表面粗糙度有很大的影响，是评价机床加工精度的重要指标，可预测机床在理想加工条件下所能达到的最小形状误差和粗糙度，也能用于机床加工补偿。
主轴热变形所引起的径向跳动量如图1所示。Oo为理想回转中心，是由主轴支承部件确定的安装中心；Or为主轴实际回转中心；Om为基准球的几何中心；Rm为基准截面的半径；e为检棒的安装偏心量；θ为检棒回转角。电动机运转一段时间后，主轴支承轴承的热变形会导致主轴系统的回转中心Or在不同的温度场下产生偏移，加之运动过程中主轴的随机跳动，使得电涡流位移传感器与被测圆柱表面间的距离发生实时改变，通过电涡流传感器和信号转换器测量得到包含误差信息的位移变化的电压值。
如图1所示，两个位移传感器检测的位移信号dx和dy分别为
式中，ecosθ、esinθ分别为偏心e在X、Y方向上的投影；rx（α）、ry（α）分别为径向运动误差r（α）在X、Y方向上的投影；Sx（θ）、Sy（θ）分别为检棒相差90°的两对应点的形状误差。
测量过程中，采用形状误差远小于回转误差的高精度检棒为基准。在高精度检棒形状误差可忽略的情况下，dx和dy是圆截面中心的位移在X、Y方向的分量。换言之，由于安装偏心的存在，由dx和dy所确定的是圆截面几何中心的轨迹，而不是回转轴心的轨迹。所以，为了尽量减小偏心对dx、dy的影响，使测量结果更能真实地反映r（α），就必须尽量减小或消除偏心量e。
2 误差运动的数学模型
径向运动误差具有周期性和径向性的特征：周期性是指圆轮廓信号具有以2π为周期变化的性质；径向性指圆形横截面的实际轮廓是一个复杂封闭的曲线轮廓，轮廓上各点的径向尺寸有差异，大小不同。被测元件径向回转运动的傅里叶级数描述为
式中，n为被测圆轮廓谐波分量的最大谐波阶数；S0为被测圆轮廓数据的直流分量，与传感器初始安装位置有关；Ai、Bi分别为沿X轴和Y轴的i阶次谐波分量的幅值。
式（3）的实际意义是，周期性的径向误差运动可分解成许多个做圆周运动的倍频分量。为了得到真正的径向运动误差，应从测量数据中除去被测元件的直流分量和偏心量e。
3 主轴热误差测量
3.1 主轴温度测量
如图2所示，测试对象为FANUC数控车床，分别在主轴电机、前法兰、主轴箱前壁等处布置磁吸式高精度温度传感器，同时采集环境温度的变化。机床在不同转速下空运行，其主轴具体运行情况如表1所示，车床主轴各部件温升曲线如图3所示。各部件温升相异，形成不同的温度场。在室温变化不大的情况下，电机发热温升较快，前法兰亦有较大温升。
3.2 主轴径向误差运动检测
如图4所示，采用双向测量法，即两传感器正交分布安装进行检测。检测试验中，用主轴带动检棒的回转来测试主轴的热误差。沿检棒轴向布置2组非接触式电涡流位移传感器（每组2个，共4个）。每组2个位移传感器沿X、Y坐标轴方向上呈正交分布安装，即图4中的S1、S2、S3、S4。主轴的回转误差信号通过这4个位移传感器采集，MX、MY分别为设置在X、Y方向的高速数据采集装置。电涡流位移传感器分辨力为25nm，数据采集仪的采样频率最高为1MHz。
因测试部位为圆柱孔，不能直接用表检测，故用一根精密检棒插入主轴锥孔内，进行动态测量，如图5所示。
3.3 主轴轴向端面热误差检测
轴向误差是一维误差，故只在检棒端面安装位移传感器进行测量即可。车床主轴的轴向窜动主要影响工件端面的几何形状精度，会产生端面相对于外圆柱面的垂直度误差，但对圆柱工件的外圆轮廓的加工没有影响。主轴的轴向热伸长量随温度场升高而加大，端面跳动量在不同转速、不同温度下呈增加趋势，其相应信号由图4中所示的S5采集。
4 热误差分离及主轴回转精度评定
测量元件的形状误差和安装偏心对主轴回转精度测量结果产生比较大的影响，所以，测量数据中不可避免地混入了形状误差和安装误差，只有有效地分离出形状误差和安装误差，才能对主轴回转精度进行准确评定。径向热变形误差可分解为不同阶次的信号，非接触测量时，测量数据主要由测量检棒的圆度误差信号、截面粗糙度的误差信号和波纹度的误差信号组成，其中，主轴圆度误差属宏观误差，为低频信号；粗糙度误差属微观信号，为高频信号；波纹度误差是介于圆度误差和表面粗糙度之间的中频信号。主轴回转误差中以周期性成分为主，并且主要由1阶、2阶、3阶和4阶的低阶谐波信号组成。因作为基准轴用的试验检棒加工精度高，所以对检棒的圆度误差可忽略不计，且热变形误差分离主要针对径向方向进行处理。
误差分离中，首先应从采集信号S（θ）中除去被测元件的直流分量A0，得到径向运动误差Sn（θ）。Sn（θ）具有周期性和径向性。周期性是指圆周工件轮廓信号的变化是以2π/i为时长、多次重复出现；径向性是指被测件的同一个横截面上的半径在不同位置处各不相同，存在差异性。所以主轴回转时在误差敏感方向上的误差运动可以看成是多个不同倍频的误差信号的叠加。
被测元件敏感方向上的回转运动Sn（θ）的傅里叶级数展开为
i=1时，S1为测量结果中包含的一阶谐波分量，是与主轴同频的圆周运动信息，由被测元件的安装偏心所致，有
其初相位θ1为
i≥2时，Si为每周圈具有i个波峰的内摆线。主轴热误差主要由两部分组成：(1)主轴支承轴承热变形导致回转中心发生的偏移，在信号中反映为直流分量的变化；(2)从测量结果中除去被测元件的偏心量就可获得热变形导致的径向运动误差：
本文误差信号的频谱分析借助于FFT方法，将时域采集到的离散误差信号变为频域信号，以便分析其误差组成。所以，数据处理时，用傅里叶级数分离检棒的安装偏心量e，也可分离出采样数据中的检棒的形状误差，从而提取出主轴回转误差，流程如图6所示。
图7所示为X、Y方向上的原始数据，其中微小的噪声数据为主轴随机跳动所致。图8为两者的频谱分析图，其中，具有最大幅值的频率接近零，对应着传感器的初始安装位置，其一阶分量为检棒的安装偏心量。图9所示为去除直流分量后X、Y方向的误差测量数据，主要由安装偏心和运动误差组成。图10所示为未分离安装偏心e情况下，在不同时刻（主轴分别以240r/min,480r/min,960r/min速度运行结束时）的径向回转误差的变化情况，尽管有温升的变化，但是偏心量基本不变，均在21μm左右。图11所示为直流分量分别在240r/min,480r/min,960r/min结束时的情况，它反映了回转中心随温度的变化而发生了偏移。
表2所示为在不同转速、不同的温度场下，基于圆图像法并采用最小二乘圆方法获得的径向热跳动量变化所产生的主轴系统回转精度。如表2所示，随着主轴系统温度的升高，热变形所引起的径向运动误差相应增大。主轴系统的温度上升愈大，其热变形愈严重。
5 结论
(1）对测量数据进行FFT谐波分析可知，不同转速下的主轴回转偏心量基本保持不变，其一阶频率与主轴回转频率一致。
(2）主轴在轴向和径向均有热变形，因此，适时地控制机床轴系的温升，可以减小机床主轴的热变形，提高其加工精度。
(3）全面分析了机床主轴回转热误差，由研究结果可以看出，车床主轴在热温升的影响下，其回转误差有加速增大的趋势。通过对实验测量数据的分析及回转误差评定研究，可以评测机床热变形对主轴回转误差的影响，获得主轴在不同的温度稳定场下，其加工精度的变化状况，为后续机床热变形补偿提供更加可靠的实验依据。
摘要：针对主轴回转热误差包含的多种误差分量,采用双向正交法测量了不同转速温度场下数控车床主轴热变形所引起的回转误差。以复向量描述主轴回转精度理论为基础,利用FFT误差分离方法,从传感器测得的信号中分离并去除检棒的安装偏心及热变形导致的回转中心的偏移量,从而得到精确的主轴回转热误差信息,进而评定数控机床主轴热变形对加工精度的影响。
关键词：主轴热变形,复向量,误差分离,回转精度评定
参考文献
[1]Bryan J.International Status of Thermal Error Research[J].Annals of the CIRP,1990,39(2):645-656.
[2]Weck M,McKeown P.Reduction and Compensation of Thermal Error in Machine Tools[J].Annals of the CIRP,1995,44(2):589-598.
[3]Creighton E,Honegger A,Tulsian A,et al.Analysis of Thermal Errors in a High-speed Micro-milling Spindle[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2010,50:386-393.
[4]Wanga Yung-Cheng,Kao Ming-Che,Chang ChungPing.Investigation on the Spindle Thermal Displacement and Its Compensation of Precision Cutter Grinders[J].Measurement,2011,44:1183-1187.
[5]Yun Won Soo,Kim Soo Kwang,Cho Dong Woo.Thermal Error Analysis for a CNC Lathe Feed Drive System[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture,1999,39(7):1087-1101.
[6]Li Yang,Zhao Wanhua.Axial Thermal Error Compensation Method for the Spindle of a Precision Horizontal Machining Center[C]//Proc.2012IEEE Int.Conf.on Mechatronics and Automation.Chengdu,2012:2319-2323.
[7]Castro H F F.A Method for Evaluating Spindle Rotation Errors of Machine Tools Using a Laser Interferometer[J].Measurement,2008,41:526-537.
[8]Chen Cha’o-Kuang,Wu San-Ching.A Method for Measuring and Separating Cylindrical and Spindle Errors in Machine Tool Rotational Parts[J].Measurement Science and Technology,1999,10(2):76-83.
千分表在机床主轴精度检测中的应用 篇4
将机床主轴锥孔用汽油清洗干净, 气吹, 取350mm的标准检验棒一根, 清洗干净, 吹风机吹干, 装夹在主轴上外端升出300mm, 装夹过程中前后、上下晃动检验棒保证和锥孔充分结合。在将千分表固定在机床上, 使千分表测头垂直顶在检验棒表面上, (如图1的A、B、C三个位置) , 匀速、缓慢的旋转主轴, 记录三点千分表的最大数值差a1、b1、c1。检验棒取出掉头180度, 同时旋转90度, 这样做其目的是保证接触充分, 尽量减小设备误差, 按上述步骤重新做一遍, 记录三点千分表的最大数值差a2、b2、c2, 求三点的平均值, 其中最大值即为机床主轴的径向跳动。
二、主轴轴颈的径向圆跳动
将千分表固定在机床上, 使千分表测头垂直顶在主轴定心轴颈表面上, 选择两点, 匀速、缓慢的旋转主轴。记录两点的的最大值, 两点中千分表读数的最大值就是轴颈径向圆跳动的数值。
三、端面圆跳动
将主轴端面清洗干净, 在锥孔内插入圆锥检验棒, 在检验棒的端面定10-20N的力消除推力轴承轴向游隙的影响, 使千分表测头顶垂直顶在轴肩支承面靠近边缘的地方, 分别在相隔120度的A、B、C三点 (如右侧图2) 非同心圆上检验, 每个点匀速、缓慢旋转主轴两圈, 记录三点千分表的变化最大值, 千分表三次读数的最大差值就是支承面的端面圆跳动的数值。
四、主轴轴向窜动的检验
将平头千分表固定在机床上, 在锥孔内插入圆锥检验棒, 在钢上涂抹少量的黄油嵌入检验棒中心孔内, 平头千分表的测头垂直顶在主轴中心孔中的钢球上, 用手在轴颈上下端面给定约10-20N轴向力消除轴承间隙, 旋转主轴, 千分表读数最大差值就是轴向窜动的数值。
五、主轴对尾座顶尖的等高度
在主轴锥孔和尾座顶尖套锥孔中插入两顶尖, 在两顶尖间顶一根检验棒。把千分表固定在溜板上, 使千分表测头垂直顶在检验棒的侧面母线上, 调整尾座, 移动溜板使检验棒两端读数一样。再把千分表测头顶在检验棒的正上方的母线上, 移动溜板, 在检验棒两端检验, 千分表在两端读数的差值就是等高度误差。
或用专用的检验棒一头插入锥孔, 一头顶入顶尖, 把千分表测头顶在检验棒的正上方的母线上, 移动溜板千分表在两端读数的差值就是等高度误差。
六、主轴对床鞍的平行度
测量时, 在内锥孔插入带锥柄的检验棒, 将千分表安装在床鞍上, 时测头使千分表测头垂直顶在检验棒的侧面母线上, 匀速、缓慢的移动床鞍进行测量, 千分表读数最大差值就是主轴轴线对机床床鞍的平行度误差, 再把千分表放在检验棒轴线的正上方, 重复测量二者的最大值即为主轴对床鞍的平行度。检验完毕后, 在卡盘装夹L=350mm、埭=60mm的45钢, 切削参数为n=450r/min, ap=0.15, f=0.01mm/r, 用硬质合金刀精车至?埭=56mm, 不用顶尖支撑, 再用硬质合金刀400右偏刀平端面, 精车后用千分尺检验300mm上三等分点的三个圆度误差值不超过0.01mm;全长上的圆柱度误差值不大于0.02mm;表面粗糙度RA不大于3.2;端面的平面度误差不超出0.02mm。说明主轴修理符合机床要求。
摘要：机床的精度直接影响加工工件的精度, 所以修理后的机床要保证准确的精度, 主轴是关键, 检验机床主轴精度的方法和设备很多, 其中千分表是最简单也是最理想的检测设备。本文以CA6140为例, 结合笔者工作经验就千分表在机床精度检验的具体使用做探讨。
