數(shù)控機(jī)床的熱變形分析及其防治措施

摘要:數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱以及輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源等。此外,機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。因此,要想控制熱變形,必須從減少發(fā)熱、控制溫升、改善結(jié)構(gòu)等方面著手。

關(guān)鍵詞:數(shù)控機(jī)床;熱變形;機(jī)械加工精度;熱源;機(jī)床結(jié)構(gòu)

中圖分類號:TG502文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)10-0059-02

工藝過程的自動(dòng)化和精密加工的發(fā)展對機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。機(jī)床在內(nèi)外熱源的影響下,各部件將發(fā)生不同程度的熱變形,使工件與刀具之間的相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系遭到破壞,也使機(jī)床的精度下降。在通常情況下,為了使機(jī)床的熱變形達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值,需要花費(fèi)很多時(shí)間來預(yù)熱機(jī)床,這就直接影響了機(jī)床的生產(chǎn)率。對于數(shù)控機(jī)床來說,因?yàn)槿考庸こ叽缡穷A(yù)先編制的指令控制的,熱變形的影響就更為嚴(yán)重。因此,認(rèn)真分析數(shù)控機(jī)床熱變形的成因,并研究防范措施具有十分重要的意義。

一、數(shù)控機(jī)床的熱變形成因分析

機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱以及輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源等。此外,機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。

(一)切削熱

在金屬切削過程中,由機(jī)械能變?yōu)楸磺邢鞑牧系淖冃文?從而產(chǎn)生大量的熱量,產(chǎn)生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質(zhì)及切削用量的大小。切削產(chǎn)生的熱量主要通過傳熱分配到刀具、工件和切屑,它們之間按照一定的比例關(guān)系分配熱量。對于不同的加工種類,其切削熱的計(jì)算與分配也各不相同。

在車削加工中,大量的熱量被切屑帶走,傳給工件的熱量次之,一般在30%以下,而傳給刀具的熱量又次之,一般不大于5%;對于銑削和刨削加工,傳給工件的熱量一般在30%以下;在不加冷卻液切削時(shí),大量的切屑落在機(jī)床床身和工作臺上,它對床身和工作臺熱變形的影響是顯而易見的。但大量的切屑只有粗加工時(shí)才有,而機(jī)床熱變形對粗加工精度的影響則一般可以忽略;對于精加工,由于走刀量和切削深度一般比較小,故切屑帶走的熱量也比較小,它們所引起床身和工作臺的熱變形也相對比較小,是否需要考慮,要看具體情況而定。但在加工中心上,零件的粗、精加工往往在同一臺機(jī)床上進(jìn)行加工,對工作臺熱變形的影響,就應(yīng)予以注意。

(二)運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱

機(jī)床有各種運(yùn)動(dòng)副,如主軸部件的滾動(dòng)軸承、工作臺與導(dǎo)軌、絲杠與螺母等,運(yùn)動(dòng)件之間的相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力,從而引起摩擦熱而形成熱源。電機(jī)本身的發(fā)熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱,也成為機(jī)床某一部件的發(fā)熱源?，F(xiàn)代機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu),尤其是數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被大大簡化,主軸部件已成為影響機(jī)床熱變形的主要部分,而主軸部件的主要熱源來自于主軸軸承的發(fā)熱。

(三)輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源

機(jī)床受到日光的照射通常是單面的或局部的,故在照射部分與未經(jīng)照射的部分之間出現(xiàn)溫度的差異,致使機(jī)床產(chǎn)生變形。周圍環(huán)境的溫度,則隨氣溫及晝夜溫度的變化而變化,通過空氣對流使機(jī)床及工件的溫度也發(fā)生變化,不僅對機(jī)床的精度有一定的影響,而且影響零件的加工精度。例如,在精滾大直徑的斜齒輪時(shí),要經(jīng)幾晝夜的連續(xù)加工,晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。

二、減少數(shù)控機(jī)床熱變形的措施研究

前面分析了數(shù)控機(jī)床熱變形的產(chǎn)生原因主要是三大熱源,因此,要減少數(shù)控機(jī)床的熱變形,就要采取減少發(fā)熱、控制溫升以及改善機(jī)床結(jié)構(gòu)、進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

(一)減少發(fā)熱

機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源,應(yīng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去,比如將電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對于不能與主機(jī)分離的熱源,如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副等,則必須改善其摩擦特性和潤滑條件,以減少機(jī)床內(nèi)部的發(fā)熱。

主軸部件是直接影響加工精度的關(guān)鍵部件,而主軸上的軸承又是一個(gè)很大的熱源。在數(shù)控機(jī)床上除了采取精密滾動(dòng)軸承和對軸承進(jìn)行油霧潤滑外,還可采用靜壓軸承。同時(shí),在精密數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)應(yīng)盡量避免使用摩擦離合器等發(fā)熱元件。

機(jī)床加工時(shí)所產(chǎn)生的切屑也是一個(gè)不可忽視的熱源。產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機(jī)床應(yīng)裝有完善的排屑裝置,以便將熱量盡快帶走,或者在工作臺或?qū)к壣习惭b隔熱板,使這部分熱量被隔離在機(jī)床之外。此外,在使用切削液的數(shù)控機(jī)床上,切削液冷卻了刀具和工件之后,帶走了切削熱,當(dāng)它散落在機(jī)床的各處時(shí),也會(huì)產(chǎn)生局部的溫升。因此,精密數(shù)控機(jī)床應(yīng)控制切削液的溫度,并使切削液迅速地通過最短途徑從機(jī)床中排出。

(二)控制溫升

除了采取上述措施來減少發(fā)熱外,還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升,以減少熱源的影響,比如在機(jī)床的發(fā)熱部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。目前對于多坐標(biāo)軸的數(shù)控機(jī)床,由于它在幾個(gè)方向上都有要求很高的精度,因而很難采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少熱變形的影響。對于這類數(shù)控機(jī)床,采用制冷系統(tǒng)對潤滑液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的方法可以收到良好的效果。但是需要注意,制冷系統(tǒng)的冷卻能力必須適當(dāng),如果吸熱量大于機(jī)床內(nèi)部熱源的發(fā)熱量,那么,這勢必會(huì)使機(jī)床的溫度低于環(huán)境溫度,不僅引起收縮,而且潮濕空氣會(huì)將冷凝在機(jī)床表面上而使機(jī)床生銹。

除了采用強(qiáng)制冷卻之外,也可以在數(shù)控機(jī)床低溫部分通過加熱的方法,使機(jī)床各點(diǎn)的溫度趨于一致,這樣可以保持溫度場的均勻,減少由于溫差造成的翹曲變形,比如某些較大型的數(shù)控機(jī)床設(shè)有加熱設(shè)備,在加工之前通過縮短機(jī)床的預(yù)熱時(shí)間,以提高機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)率。

(三)改善數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)

在同樣發(fā)熱條件下,不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)對熱變形的影響也不一樣,故而改善數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu),可以有效地控制數(shù)控機(jī)床的熱變形。因此,在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)要盡可能的采用雙立柱結(jié)構(gòu)而不是目前流行的單位柱結(jié)構(gòu)。雙立柱結(jié)構(gòu)由于左右對稱,受熱后的主軸軸線除產(chǎn)生垂直方向的平移外,其他方向的變形很小,而垂直方向的軸線移動(dòng)可以方便地用一個(gè)坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。此外,在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的主軸箱時(shí),應(yīng)該盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上,這樣,刀尖沿工件切向的偏移對工件徑向尺寸的變化影響極小,幾乎就可以忽略不計(jì)。在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)當(dāng)盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離,以減少熱變形的總量。同時(shí),應(yīng)使主軸箱的前后溫升一致,避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜。

三、結(jié)語

綜上所述,減少機(jī)床熱變形至關(guān)重要,己越來越引起人們的重視,方法繁多。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,關(guān)于熱變形的研究必將有新的突破,可以預(yù)見隨著熱變形研究的進(jìn)一步深入,機(jī)械加工的精度必將會(huì)更上一個(gè)臺階。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介:廖威春(1968-),男,廣東韶關(guān)人,廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教師,研究方向:機(jī)械類實(shí)驗(yàn)教學(xué)。