五軸臥式加工中心主軸系關(guān)鍵部件與熱誤差項(xiàng)定義

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1.1主軸系關(guān)鍵部件構(gòu)成

從工作臺(tái)W到刀尖點(diǎn)T的運(yùn)動(dòng)鏈為:W→B→A→Z→X→Y→T，其中B為轉(zhuǎn)臺(tái)，A為搖籃，Z和X導(dǎo)軌固定在床身，Y導(dǎo)軌固定在立柱。鞍座通過4個(gè)滑塊與Y導(dǎo)軌相連接，主軸穿過長方形鞍座固定。五軸臥式加工中心的基本參數(shù)見表1。

五軸臥式加工中心熱源可分為內(nèi)熱源、外熱源和加工熱源[24]。內(nèi)熱源中，主軸系統(tǒng)提供切削能量并產(chǎn)生大量熱能，進(jìn)給系統(tǒng)相對(duì)于主軸的發(fā)熱量較少。外熱源影響主要表現(xiàn)為空氣與五軸臥式加工中心結(jié)構(gòu)表面的熱傳導(dǎo)對(duì)流。車間氣溫常隨晝夜與季節(jié)變化，導(dǎo)致大尺寸的五軸臥式加工中心部件產(chǎn)生顯著的熱誤差[25]。加工熱從刀具與工件的高速摩擦中產(chǎn)生，受材料和工藝影響，且大部分被切削液和切屑帶走[26]。研究主要考慮主軸熱和環(huán)境溫度對(duì)主軸系部件產(chǎn)生的影響。

主軸運(yùn)動(dòng)鏈的各個(gè)部件中，主軸的溫升和變形都較明顯。鞍座負(fù)責(zé)連接主軸和立柱，中心接受主軸的傳熱，四角的滑塊連接Y導(dǎo)軌，易產(chǎn)生翹曲變形。立柱高約1.8m且有大量鏤空結(jié)構(gòu)，易受環(huán)境溫度變化的影響。同時(shí)部分主軸熱造成滑塊附近局部溫升變形。X導(dǎo)軌與床身體積大、離主軸遠(yuǎn)，受熱影響小。研究認(rèn)為刀尖點(diǎn)在前述熱源影響下產(chǎn)生的熱誤差主要來源于主軸、鞍座和立柱，即“主軸系關(guān)鍵部件”。床身則作為靜止的測(cè)量基準(zhǔn)。

1.2等效幾何模型與誤差項(xiàng)定義

為了更清晰地量化每個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)刀尖點(diǎn)誤差的貢獻(xiàn),下面對(duì)這些部件建立等效的幾何模型(圖2),其關(guān)鍵點(diǎn)的定義見表2。電主軸等效為懸臂梁結(jié)構(gòu) TT1。鞍座為板塊AS與中間圓柱套點(diǎn) T2 的結(jié)合。立柱Y導(dǎo)軌的頂端U為自由端，而底端D與固定的床身X導(dǎo)軌連接。

結(jié)合圖2的模型，按每個(gè)部件熱變形對(duì)刀尖點(diǎn)的影響，定義各自的熱誤差項(xiàng)。由于關(guān)鍵部件大體在Y-Z平面上對(duì)稱，以下忽略B、X向的誤差。誤差的定義如圖3、表3所示。主軸的熱伸長定義為 ZE，熱彎曲導(dǎo)致的A向偏轉(zhuǎn)定義為 θE，而軸線的Y向熱漂移定義為 YE。鞍座中間與四角的溫差會(huì)使其前凸或后凹，將其變形導(dǎo)致中孔的Z向位移定義為 Zs，Y向位移定義為 Ys，中孔軸線的A向偏轉(zhuǎn)定義為 θs。立柱受熱伸長導(dǎo)致刀尖點(diǎn)Y移定義為 Yp，熱彎曲導(dǎo)致的Z向位移和A向轉(zhuǎn)角分別定義為 Zp、θp。

表3誤差項(xiàng)定義

刀尖點(diǎn)的三項(xiàng)誤差可被分解為上述誤差項(xiàng)的組合。YT 由 YE、YS、YP 再加上主軸系A(chǔ)向轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的Y向偏移組成。ZT 由 ZE、ZS、ZP 疊加而成。θT 則由 θE、θS、θP 疊加而成。具體的數(shù)值關(guān)系:

式中:LTT1 為 TT1 段的長度。

標(biāo)簽：五軸加工中心

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