溫度對數(shù)控機(jī)床加工精度有何影響？（下）

機(jī)床熱性能試驗(yàn)

1數(shù)控機(jī)床熱性能試驗(yàn)?zāi)康?/span>

控制數(shù)控機(jī)床熱變形的關(guān)鍵是通過熱特性試驗(yàn)，充分了解機(jī)床環(huán)境溫度的變化、機(jī)床熱源和溫度的變化以及關(guān)鍵點(diǎn)（變形位移）的響應(yīng)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)或曲線描述機(jī)床的熱特性，以便采取措施控制數(shù)控機(jī)床的熱變形，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和效率。

具體而言，應(yīng)實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1） 機(jī)器環(huán)境測試

測量車間內(nèi)的溫度環(huán)境及其空間溫度梯度，晝夜交替時(shí)溫度分布的變化，甚至季節(jié)變化對機(jī)床周圍溫度分布的影響。

2） 機(jī)床本身熱特性試驗(yàn)

在盡可能消除環(huán)境干擾的條件下，機(jī)床處于各種工作狀態(tài)，測量數(shù)控機(jī)床重要點(diǎn)的溫度變化和位移變化，并記錄足夠長時(shí)間內(nèi)的溫度變化和關(guān)鍵點(diǎn)位移。

紅外熱位相儀可以用來記錄每個(gè)時(shí)間段的熱分布。

3） 測試加工過程中的溫升熱變形，判斷機(jī)床熱變形對加工精度的影響。

4） 以上實(shí)驗(yàn)可以積累大量的數(shù)據(jù)和曲線，為機(jī)床設(shè)計(jì)和用戶控制熱變形提供可靠的依據(jù)，為采取有效措施指明方向。

2.機(jī)床熱變形試驗(yàn)原理

熱變形試驗(yàn)首先需要測量幾個(gè)相關(guān)點(diǎn)的溫度，包括以下幾個(gè)方面：

1） 熱源：包括進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、導(dǎo)軌、主軸軸承各部分。

2） 輔助裝置：包括液壓系統(tǒng)、制冷機(jī)、冷卻潤滑位移檢測系統(tǒng)。

3） 機(jī)械結(jié)構(gòu)：包括床身、底座、滑塊、立柱、銑頭箱、主軸。一個(gè)銦鋼探針夾在主軸和轉(zhuǎn)盤之間。在X、Y、Z三個(gè)方向設(shè)置五個(gè)接觸式傳感器，測量不同狀態(tài)下的綜合變形，模擬刀具與工件之間的相對位移。

3.試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

機(jī)床熱變形試驗(yàn)應(yīng)長時(shí)間連續(xù)進(jìn)行，并進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)記錄。經(jīng)過分析處理，反射熱變形特性的可靠性可以很高。如果通過多次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行誤差抑制，所給出的規(guī)律是可信的。在主軸系統(tǒng)的熱變形試驗(yàn)中，共設(shè)置了5個(gè)測點(diǎn)，其中1點(diǎn)位于主軸末端，2點(diǎn)靠近主軸軸承，4點(diǎn)和5點(diǎn)分別位于銑頭殼體靠近Z向?qū)к壧帯y試時(shí)間總共持續(xù)了14個(gè)小時(shí)。前10小時(shí)主軸轉(zhuǎn)速在0～9000r/min范圍內(nèi)交替變化，從第10小時(shí)開始，主軸繼續(xù)以9000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。

可以得出以下結(jié)論：

1） 該主軸的熱平衡時(shí)間約為1h，平衡后的溫升范圍為1.5℃；

2） 溫升主要來自主軸軸承和主軸電機(jī)。在正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸承熱性能良好；

3） 熱變形對X方向影響不大；

4） Z向伸縮變形較大，約10m，主要是主軸熱伸長和軸承間隙增大所致；

5） 當(dāng)轉(zhuǎn)速保持在9000r/min時(shí)，溫度急劇上升，2.5h內(nèi)上升約7℃，并有繼續(xù)上升的趨勢。主軸在Y、Z方向的變形量分別達(dá)到29m和37m，說明主軸在9000r/min轉(zhuǎn)速下已不能穩(wěn)定運(yùn)行，只能在較短時(shí)間（20min）內(nèi)運(yùn)行。

機(jī)床熱變形的控制

通過以上分析討論，機(jī)床的溫升和熱變形對加工精度有多種影響因素。在采取控制措施的時(shí)候，要抓住主要矛盾，集中在一兩項(xiàng)措施上，以較少的努力取得更多的效果。在設(shè)計(jì)上，我們應(yīng)該從四個(gè)方向著手：

減少發(fā)熱和溫升，結(jié)構(gòu)均衡，冷卻合理。

1減少熱量

控制熱源是一項(xiàng)根本措施。設(shè)計(jì)中必須采取措施，有效減少熱源產(chǎn)生的熱量。

1） 合理選擇電機(jī)額定功率

電動(dòng)機(jī)的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積。一般來說，電壓V是恒定的。因此，負(fù)載的增加意味著電機(jī)的輸出功率增加，即相應(yīng)的電流I也增加，并且電樞阻抗中的電流消耗的熱量增加。如果我們設(shè)計(jì)選用的電機(jī)長期工作在額定功率附近或大大超過額定功率時(shí)，電機(jī)的溫升會(huì)大大增加。為此，對BK50數(shù)控針槽銑床的銑頭進(jìn)行了對比試驗(yàn)（電機(jī)轉(zhuǎn)速：960r/min，環(huán)境溫度：12℃）。通過以上試驗(yàn)，得出如下概念：考慮熱源的性能，無論是主軸電機(jī)還是進(jìn)給電機(jī)，在選擇額定功率時(shí)，最好選擇比計(jì)算功率大25%左右。在實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)的輸出功率與負(fù)載相匹配，提高電機(jī)的額定功率對能耗影響不大。但它能有效地降低電機(jī)的溫升。

2） 在結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)措施，減少二次熱源的發(fā)熱，降低溫升。

比如在設(shè)計(jì)主軸結(jié)構(gòu)時(shí)，要提高前后軸承的同軸度，采用高精度軸承。在可能的情況下，將滑動(dòng)導(dǎo)軌更換為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，或使用直線電機(jī)。這些新技術(shù)可以有效地減少摩擦，減少熱量的產(chǎn)生，降低溫升。

3） 在加工過程中，采用高速切削。（基于高速切削機(jī)理）

當(dāng)金屬切削線速度高于一定范圍時(shí)，被切削金屬?zèng)]有時(shí)間產(chǎn)生塑性變形，切屑上也沒有產(chǎn)生變形熱。大部分切削能量轉(zhuǎn)化為切屑動(dòng)能并帶走。

2減少熱變形的結(jié)構(gòu)平衡

在機(jī)床上，熱源總是存在的，如何使傳熱的方向和速度有利于減小熱變形，需要進(jìn)一步關(guān)注。或者結(jié)構(gòu)具有良好的對稱性，使傳熱沿對稱方向傳遞，使溫度分布均勻，變形相互抵消，形成熱親和結(jié)構(gòu)。

（1） 預(yù)應(yīng)力和熱變形。

在高速進(jìn)給系統(tǒng)中，滾珠絲杠通常在兩端軸向固定以形成預(yù)緊應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)除了提高動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性外，對減小高速進(jìn)給的熱變形誤差也有重要作用。軸向固定結(jié)構(gòu)在600mm的總長度內(nèi)預(yù)拉伸35m，在不同的進(jìn)給速度下相對接近溫升。兩端固定的預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)的累積誤差明顯小于一端固定另一端自由延伸的結(jié)構(gòu)。在兩端軸向固定的預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)中，熱引起的溫升主要是使絲杠內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)榱銘?yīng)力或壓應(yīng)力。因此，對位移精度的影響很小。

（2） 改變結(jié)構(gòu)，改變熱變形方向。

采用不同滾珠絲杠軸向固定結(jié)構(gòu)的數(shù)控針槽銑床Z軸主軸滑塊，加工時(shí)要求銑槽誤差為0.05mm。螺桿下端采用軸向浮動(dòng)結(jié)構(gòu)。加工后2小時(shí)內(nèi)，槽深由0逐漸加深至0.045mm。相反，螺桿的浮動(dòng)端結(jié)構(gòu)可以保證槽深的變化。

（3） 機(jī)床結(jié)構(gòu)的對稱性可以使熱變形均勻，使刀尖的漂移最小。

首先，機(jī)床結(jié)構(gòu)采用完全對稱的布局。柱、梁為整體結(jié)構(gòu)，呈H形，相當(dāng)于雙柱結(jié)構(gòu)，對稱性好。近似圓形的主軸滑塊在縱向和橫向上是對稱的。三個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)采用直線電機(jī)，使結(jié)構(gòu)更容易實(shí)現(xiàn)對稱。兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸采用直接驅(qū)動(dòng)，以盡量減少摩擦損失和機(jī)械傳動(dòng)。

3.合理的降溫措施

（1） 加工過程中冷卻液對加工精度的影響是直接的。

試驗(yàn)表明，采用冰箱對冷卻液進(jìn)行換熱處理，對提高加工精度是非常有效的。采用傳統(tǒng)的冷卻液供給方式，30分鐘后，工件尺寸將超差。使用冰箱后，可正常加工至70分鐘以上。80min時(shí)工件尺寸過大的主要原因是砂輪需要修整（去除砂輪表面的金屬屑），修整后可立即恢復(fù)原加工精度。效果非常明顯。同樣，主軸的強(qiáng)制冷卻也會(huì)取得很好的效果。

（ 2） 增加自然冷卻面積。

例如，在主軸箱結(jié)構(gòu)上增加自然風(fēng)冷面積，在空氣流通良好的車間內(nèi)也能起到很好的散熱作用。

（3） 及時(shí)自動(dòng)排屑。

工件、工作臺(tái)、刀具上高溫切屑的及時(shí)或?qū)崟r(shí)排出，將大大降低關(guān)鍵零件的溫升和熱變形。

展望

機(jī)床熱變形控制是現(xiàn)代精密加工領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，影響機(jī)床熱變形的因素非常復(fù)雜。此外，現(xiàn)代切削加工中高速、高效、高精度的結(jié)合使得機(jī)床的熱變形問題更加突出。引起了機(jī)床制造業(yè)的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外機(jī)床行業(yè)的學(xué)者對此做了大量的研究，并在理論上取得了長足的進(jìn)步。機(jī)床熱變形已成為機(jī)床研究的基礎(chǔ)理論之一。

本文從機(jī)床設(shè)計(jì)與應(yīng)用、測量與分析方法等方面分析了影響機(jī)床熱性能的因素，并提出了改進(jìn)的設(shè)計(jì)措施。

因此，我們認(rèn)為機(jī)床熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從以下幾個(gè)方面著手：

（1） 在現(xiàn)代高端數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)階段，要注意所設(shè)計(jì)機(jī)床未來應(yīng)用的環(huán)境條件。

（2） 控制和配置熱源是關(guān)鍵。控制熱源主要是控制能源消耗與動(dòng)力來源的匹配，采用新的結(jié)構(gòu)，減少二次摩擦熱源，提高能源利用效率。

（3） 改變傳統(tǒng)思維，促進(jìn)冷卻、散熱、潤滑、排屑等設(shè)備從機(jī)床的“輔助”部件狀態(tài)向“重要”部件狀態(tài)轉(zhuǎn)變，這是不可掉以輕心的。

（4） 注意結(jié)構(gòu)的對稱性和熱變形方向的設(shè)計(jì)，盡量減少熱變形對精度的影響，特別是結(jié)構(gòu)件熱變形數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用，從而為熱變形控制設(shè)計(jì)提供定量指導(dǎo)。