立式加工中心主轴热误差的实验与分析
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2 热位移实验的设计 实验的目的是为了测量主轴的温度场分市和主轴的 热位移，分析主轴热误差对加工精度的彩响，为机床设计、 有限元分析和误差补偿提供实验数据[7]。因此实验主要测 量主轴 X、Y、Z 三个方向的变形量和主轴的温度变化。 2.1 热位移实验的准备 实验仪器包括：专用夹具，3 个非接触式位移传感器 和 5 个温度传感器，主轴试棒一个，G-TECH 数据采集仪 一套，安装分析软件的电脑一台。 为了减小外部因素对实验的影响，在进行实验时要排 除一些干因素，保证满足以下条件：淤要求室温较稳定，温 度变化较小，于在正式测试前，将采集装置安装在机床上 并将机床放置在测试室 12 小时以上，使机床的温度与室 温大概一致，盂采集仪在正式测试开始前需预热 0.5 小时 以上。 2援2 数据采集过程 在测试时，首先根据要求连接数据釆集仪和电脑，然 后在工作台上安装好专用夹具，并将 3 个位移传感器安装 在专用夹具上。由于机床空间限制，不方便将温度传感器 贴在主轴上，所以实验时传感器贴在与主轴直接接触的主
作者简介院余为洲（1992-），男，湖北十堰市人，硕士研究生，五邑 大学智能制造学部机械工程专业，研究方向为智能装 备设计与研发；周俊荣（1965-），男，江西遂川人，硕士， 副教授，五邑大学智能制造学部，主要研究方向为机械 智能化设计。
图 1 高速钻铣立式加工中心
生的热[6]。刀具切削零件过程中，由于切削量小，切力也相 应 较 小 ，从 而 由 切削 运 动 产 生 的 热 量 也 少 ，再 加 上 有 切 削 液的冷却，切削运动产生的热量几平对主轴没有影响，故 实验时不考虑主轴电机高速旋转产生的热和刀具切削运 动产生的热，在主轴空载状态下进行。主轴内支撑轴承长 时间高速旋转，发热量大，且与主轴直接接触，主轴本身没 有循环冷却系统，因此主轴轴承的摩擦发热是主轴最重要 的热来源。
经过分析可以得出，主轴热位移在钻孔、铣平面、倒圆 角等工序中对零件的精度影响尤其明显，具体影响如表 1 所示。
表 1 主轴热位移产生的加工误差热位移形式孔 Nhomakorabea端面
倒圆角
图 2 位移传感器和加速度传感器安装示意图
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内燃机与配件
轴箱上。3 个位移传感器分别采集主轴 X、Y、Z 三个方向 的热位移，5 个温度传感器分别采集室温 T12、前轴承温度 T11、中间温度 T13、后轴承温度 T14 和电 机前 端 温 度 T21，现场如图 2 所示。
向上机床的结构是对称，故温度对其影响较小；Y 向热位移 较大，达到了 27.5um，这是由于主轴的温升较大，热胀冷缩 的原因，整个主轴箱随着温度升高往机床坐标的+Y 方向偏 移；Z 向的热位移最大，达到了 32.8um，由于转子受热膨胀， 往机床坐标-Z 方向伸长，而且对温度敏感度很高。Y 向和 Z 向的热位移较大，说明在对零件进行加工时，主轴热位移会 对机床这两个方向的加工精度产生很大的影响，在设计主 轴箱等部件时应重点关注这两个方向。
Internal Combustion Engine & Parts
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立式加工中心主轴热误差的实验与分析
余为洲淤曰周俊荣淤曰马毅于曰王瑞超淤曰李会军淤
（淤五邑大学智能制造学部，江门 529000；于深圳市创世纪机械有限公司，深圳 518000）
摘要院主轴是立式加工中心最精密最核心的零件之一遥 主轴内轴承长时间工作会产生大量的热能袁导致主轴发生热变形袁进而影 响被加工零件的精度遥 以某型号高速钻铣立式加工中心主轴系统为研究对象袁对主轴进行了热位移实验袁得到了主轴的温度分布和 X尧Y尧Z 三方向的热变形位移袁进而分析得出了主轴热位移对加工精度的影响袁为主轴的热误差补偿提供了依据遥
关键词院立式加工中心曰主轴曰热位移曰实验曰加工精度
0 引言 现 代 加 工 中 心 集 高 效 、高 速 、高 精 度 为 一 体 ，加 工 零 件精度的高低直接决定自身的档次。热变形是影响加工 中心加工精度最主要的影响因素之一，导致的热误差在 加工中心的总体误差中占 40豫耀70%，严重影响加工中心 零件的加工精度和表面质量。对于机床热特性的分析，许 多研究者都对其做过研究。华东交通大学胡维东[1]用有限 元方法分析了主轴箱的稳态温度场热分布及其热变形， 为主轴箱的热误差补偿提供了依据。Rong Li[2]等对高速立 式加工中心进给系统热变形进行了研究，通过分析影响 机床的参数，得到了滚珠丝杆进给系统热变形的影响因 素。新疆大学穆塔里夫·阿赫迈德[3]构建了一套基于虚拟 仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量系 统 ，测 出 了加 工 中 心 主 轴 系 统 的 温 度 场 和 各 项 热 变 形 ，建 立了基于 I-DEAS 的加工中心主轴系统的温度场和热变 形有限元模型，得到了主轴系统的温度场和热变形分布 及其计算结果。 主轴是立式加工中心最精密最核心的零件之一，其精 度高低与否直接影响立式加工中心的加工精度[4]。对主轴 热误差的研究是现代精密机床一个重要的课题。由于主轴 长时间高转速工作，主轴内支撑轴承会产生大量的热能， 使得机床主轴和接触部件温度快速上升，发生较大的热变 形或膨胀，从而会导致机床在工作时与加工工件产生相对 位移[5]，产生热误差。因此，分析热位移对加工中心加工精 度的影响至关重要。由于机床结构及其传热、散热的复杂 性，热变形的研究在很大程度上还是依赖试验研究。在试 验研究中，主要检测温度与热位移。图 1 为实验用的高速 钻铣立式加工中心。该立式加工中心来用三菱或法那科系 统，可进行高速铣削、钻孔等程序加工，适用于生产各种形 状 复 杂 的 二维 、三 维 凹 凸 模 型 机 复 杂 的 腔 体 及 表 面 ，企 业 车间批量加工零件，特别适用于 3C 行业，是一种工作效 率极高的自动化加工机床。 1 主轴热来源分析 主轴系统的热来源主要有主轴电机高速旋转产生的 热，主轴内支挥轴承高速旋转产生的热和刀具切削运动产 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要
作者简介院余为洲（1992-），男，湖北十堰市人，硕士研究生，五邑 大学智能制造学部机械工程专业，研究方向为智能装 备设计与研发；周俊荣（1965-），男，江西遂川人，硕士， 副教授，五邑大学智能制造学部，主要研究方向为机械 智能化设计。
图 1 高速钻铣立式加工中心
生的热[6]。刀具切削零件过程中，由于切削量小，切力也相 应 较 小 ，从 而 由 切削 运 动 产 生 的 热 量 也 少 ，再 加 上 有 切 削 液的冷却，切削运动产生的热量几平对主轴没有影响，故 实验时不考虑主轴电机高速旋转产生的热和刀具切削运 动产生的热，在主轴空载状态下进行。主轴内支撑轴承长 时间高速旋转，发热量大，且与主轴直接接触，主轴本身没 有循环冷却系统，因此主轴轴承的摩擦发热是主轴最重要 的热来源。
经过分析可以得出，主轴热位移在钻孔、铣平面、倒圆 角等工序中对零件的精度影响尤其明显，具体影响如表 1 所示。
表 1 主轴热位移产生的加工误差热位移形式孔 Nhomakorabea端面
倒圆角
图 2 位移传感器和加速度传感器安装示意图
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内燃机与配件
轴箱上。3 个位移传感器分别采集主轴 X、Y、Z 三个方向 的热位移，5 个温度传感器分别采集室温 T12、前轴承温度 T11、中间温度 T13、后轴承温度 T14 和电 机前 端 温 度 T21，现场如图 2 所示。
向上机床的结构是对称，故温度对其影响较小；Y 向热位移 较大，达到了 27.5um，这是由于主轴的温升较大，热胀冷缩 的原因，整个主轴箱随着温度升高往机床坐标的+Y 方向偏 移；Z 向的热位移最大，达到了 32.8um，由于转子受热膨胀， 往机床坐标-Z 方向伸长，而且对温度敏感度很高。Y 向和 Z 向的热位移较大，说明在对零件进行加工时，主轴热位移会 对机床这两个方向的加工精度产生很大的影响，在设计主 轴箱等部件时应重点关注这两个方向。
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立式加工中心主轴热误差的实验与分析
余为洲淤曰周俊荣淤曰马毅于曰王瑞超淤曰李会军淤
（淤五邑大学智能制造学部，江门 529000；于深圳市创世纪机械有限公司，深圳 518000）
摘要院主轴是立式加工中心最精密最核心的零件之一遥 主轴内轴承长时间工作会产生大量的热能袁导致主轴发生热变形袁进而影 响被加工零件的精度遥 以某型号高速钻铣立式加工中心主轴系统为研究对象袁对主轴进行了热位移实验袁得到了主轴的温度分布和 X尧Y尧Z 三方向的热变形位移袁进而分析得出了主轴热位移对加工精度的影响袁为主轴的热误差补偿提供了依据遥
关键词院立式加工中心曰主轴曰热位移曰实验曰加工精度
0 引言 现 代 加 工 中 心 集 高 效 、高 速 、高 精 度 为 一 体 ，加 工 零 件精度的高低直接决定自身的档次。热变形是影响加工 中心加工精度最主要的影响因素之一，导致的热误差在 加工中心的总体误差中占 40豫耀70%，严重影响加工中心 零件的加工精度和表面质量。对于机床热特性的分析，许 多研究者都对其做过研究。华东交通大学胡维东[1]用有限 元方法分析了主轴箱的稳态温度场热分布及其热变形， 为主轴箱的热误差补偿提供了依据。Rong Li[2]等对高速立 式加工中心进给系统热变形进行了研究，通过分析影响 机床的参数，得到了滚珠丝杆进给系统热变形的影响因 素。新疆大学穆塔里夫·阿赫迈德[3]构建了一套基于虚拟 仪器系统的加工中心主轴系统温度场和热误差测量系 统 ，测 出 了加 工 中 心 主 轴 系 统 的 温 度 场 和 各 项 热 变 形 ，建 立了基于 I-DEAS 的加工中心主轴系统的温度场和热变 形有限元模型，得到了主轴系统的温度场和热变形分布 及其计算结果。 主轴是立式加工中心最精密最核心的零件之一，其精 度高低与否直接影响立式加工中心的加工精度[4]。对主轴 热误差的研究是现代精密机床一个重要的课题。由于主轴 长时间高转速工作，主轴内支撑轴承会产生大量的热能， 使得机床主轴和接触部件温度快速上升，发生较大的热变 形或膨胀，从而会导致机床在工作时与加工工件产生相对 位移[5]，产生热误差。因此，分析热位移对加工中心加工精 度的影响至关重要。由于机床结构及其传热、散热的复杂 性，热变形的研究在很大程度上还是依赖试验研究。在试 验研究中，主要检测温度与热位移。图 1 为实验用的高速 钻铣立式加工中心。该立式加工中心来用三菱或法那科系 统，可进行高速铣削、钻孔等程序加工，适用于生产各种形 状 复 杂 的 二维 、三 维 凹 凸 模 型 机 复 杂 的 腔 体 及 表 面 ，企 业 车间批量加工零件，特别适用于 3C 行业，是一种工作效 率极高的自动化加工机床。 1 主轴热来源分析 主轴系统的热来源主要有主轴电机高速旋转产生的 热，主轴内支挥轴承高速旋转产生的热和刀具切削运动产 要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要要