數(shù)控機(jī)床熱設(shè)計(jì)技術(shù)分析

摘要：對(duì)數(shù)控機(jī)床的熱設(shè)計(jì)技術(shù)展開(kāi)了研究，包括熱鏡像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、冷卻散熱方式設(shè)計(jì)、電氣系統(tǒng)熱變形補(bǔ)償?shù)?，可保證機(jī)床的熱穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高機(jī)床加工精度。

關(guān)鍵詞：機(jī)床熱設(shè)計(jì);熱鏡像結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);機(jī)床冷卻;熱變形補(bǔ)償

0 引言

近年來(lái)我國(guó)機(jī)床制造業(yè)不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工精度得到了很大提高，但是數(shù)控機(jī)床在可靠性、精度保持性、熱穩(wěn)定性等方面還有待提高。其中，熱穩(wěn)定性是影響機(jī)床精度的關(guān)鍵因素。很多數(shù)控機(jī)床在加工高精度零件時(shí)，設(shè)備本體達(dá)不到熱穩(wěn)定要求，受車(chē)間溫度變化、主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱、導(dǎo)軌摩擦生熱、電機(jī)散熱等因素影響，機(jī)床加工點(diǎn)位置不斷無(wú)規(guī)律地偏離程序預(yù)設(shè)的坐標(biāo)點(diǎn)，致使工件加工不合格甚至報(bào)廢。本文主要分析數(shù)控機(jī)床的熱設(shè)計(jì)技術(shù)，包括機(jī)床設(shè)計(jì)制造中應(yīng)用的熱鏡像結(jié)構(gòu)、熱補(bǔ)償方法等，通過(guò)保證機(jī)床的熱穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高機(jī)床加工精度。

1 機(jī)床熱設(shè)計(jì)技術(shù)

金屬材料有熱脹冷縮的特性，溫度每變化1 ℃，鋼鐵長(zhǎng)度就變化11.7 μm/m。在設(shè)計(jì)階段減少機(jī)床熱誤差影響，從根本上提高機(jī)床的熱態(tài)特性尤為重要[1]。機(jī)床開(kāi)機(jī)運(yùn)行后，零部件溫度逐漸升高，尺寸隨溫度變化而變化，此時(shí)機(jī)床的加工精度不穩(wěn)定，當(dāng)零部件發(fā)熱量和散熱量達(dá)到平衡時(shí)，機(jī)床精度才趨于穩(wěn)定。但有些機(jī)床由于設(shè)計(jì)、制造方面的原因，無(wú)法達(dá)到熱平衡狀態(tài)，致使機(jī)床始終達(dá)不到穩(wěn)定的加工精度。

2 采用熱鏡像結(jié)構(gòu)

機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中發(fā)熱是不可避免的，應(yīng)該盡量做到使熱變形量有規(guī)律、可控制，熱變形按照預(yù)估的方向發(fā)展，為后續(xù)的電氣系統(tǒng)熱補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。熱鏡像結(jié)構(gòu)是接受熱、控制熱的典型結(jié)構(gòu)，熱鏡像追求機(jī)床主體結(jié)構(gòu)的完全鏡像，即以包含加工點(diǎn)的基準(zhǔn)截面，將機(jī)床的基礎(chǔ)零件和熱源進(jìn)行完全的鏡像布置。機(jī)床的熱鏡像結(jié)構(gòu)如圖1所示，基礎(chǔ)零件床身、立柱、主軸箱、工作臺(tái)等都是相對(duì)基準(zhǔn)截面的鏡像結(jié)構(gòu)，進(jìn)給電機(jī)X1、X2、Y1、Y2、Z1作為主要發(fā)熱源，也是相對(duì)基準(zhǔn)截面鏡像布置的。尤其是進(jìn)給電機(jī)X1、X2的布置，在同一根進(jìn)給絲杠兩端布置同樣結(jié)構(gòu)的電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)床結(jié)構(gòu)和熱源的完全鏡像，結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)。采用熱鏡像結(jié)構(gòu)，機(jī)床受熱源影響發(fā)生形變后，加工點(diǎn)仍在鏡像基準(zhǔn)截面內(nèi)，熱變形對(duì)機(jī)床精度變化影響較小。

3 采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)床冷卻方式

3.1? ? 主軸冷卻

主軸是機(jī)床的關(guān)鍵部件。由于主軸最接近切削點(diǎn)的位置，其精度變化對(duì)加工精度的影響最大。主軸高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，熱源主要來(lái)自主軸軸承的滾動(dòng)摩擦，發(fā)熱使軸承發(fā)生形變，進(jìn)而影響主軸精度，降低軸承使用壽命。通常簡(jiǎn)單的機(jī)床冷卻方式是對(duì)主軸軸承外環(huán)進(jìn)行冷卻，因?yàn)橥猸h(huán)不旋轉(zhuǎn)，所以結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，但其冷卻效果并不理想。正確的機(jī)床冷卻方式應(yīng)該是通過(guò)主軸本體對(duì)軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行循環(huán)冷卻，使主軸和軸承內(nèi)環(huán)不再膨脹，軸承保持良好的預(yù)壓狀態(tài)，同時(shí)對(duì)軸承進(jìn)行合理潤(rùn)滑，減少摩擦生熱，保持主軸溫度恒定。但由于對(duì)軸承內(nèi)環(huán)進(jìn)行冷卻結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在國(guó)內(nèi)機(jī)床中應(yīng)用較少。在對(duì)軸承冷卻的同時(shí)，也應(yīng)該重視主軸箱體的設(shè)計(jì)，其要有足夠的熱剛度，具有良好的散熱結(jié)構(gòu)。

3.2? ? 進(jìn)給系統(tǒng)冷卻

典型的進(jìn)給系統(tǒng)通常包括電機(jī)、減速機(jī)、絲杠、軸承等零件，其冷卻方式也是從這幾部分展開(kāi)研究。電機(jī)通常有自然冷卻、風(fēng)冷、水冷等結(jié)構(gòu);減速機(jī)可以自帶冷卻泵進(jìn)行冷卻;絲杠有中空結(jié)構(gòu)[2]，可以用冷卻介質(zhì)循環(huán)冷卻;軸承則采用合理的潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)，同時(shí)對(duì)軸承座進(jìn)行循環(huán)冷卻。機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的循環(huán)冷卻如圖2所示，冷卻介質(zhì)從遠(yuǎn)離電機(jī)端的軸承座接入，對(duì)滾珠絲杠軸承外環(huán)進(jìn)行循環(huán)冷卻后，經(jīng)配流環(huán)進(jìn)入絲杠中心的冷卻孔，流至絲杠另一端，再經(jīng)配流環(huán)進(jìn)入靠近電機(jī)端的軸承座，對(duì)滾珠絲杠軸承循環(huán)冷卻后，回到溫控裝置，降溫后繼續(xù)循環(huán)對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行冷卻，根據(jù)溫度傳感器的反饋，使進(jìn)給系統(tǒng)保持與機(jī)床基礎(chǔ)零件相同的溫度。使用此種冷卻方式時(shí)，注意冷卻介質(zhì)的接入點(diǎn)應(yīng)遠(yuǎn)離電機(jī)端的軸承座，這樣不會(huì)使電機(jī)端的熱量傳至進(jìn)給系統(tǒng)下游。但此種方式由于滾珠絲杠中心的冷卻孔加工比較困難，不適合長(zhǎng)行程的進(jìn)給系統(tǒng)。對(duì)于長(zhǎng)行程進(jìn)給系統(tǒng)中使用的齒輪-齒條傳動(dòng)，通常不進(jìn)行冷卻，只對(duì)齒輪-齒條做充分潤(rùn)滑。

3.3? ? 機(jī)床基礎(chǔ)零件及加工環(huán)境的冷卻

在機(jī)床基礎(chǔ)零件中設(shè)計(jì)循環(huán)系統(tǒng)，接入冷卻介質(zhì)，由溫控裝置帶動(dòng)冷卻介質(zhì)對(duì)機(jī)床本體進(jìn)行循環(huán)冷卻，使基礎(chǔ)零件的溫度保持恒定，同時(shí)在機(jī)床外圍增加由隔熱材料制造的熱平衡防護(hù)罩，可以隔絕外部環(huán)境溫度變化對(duì)機(jī)床的影響，熱平衡防護(hù)罩使機(jī)床的加工環(huán)境形成一個(gè)獨(dú)立的空間，在此環(huán)境中接入空調(diào)系統(tǒng)，調(diào)控溫度，保持加工區(qū)域溫度恒定，使機(jī)床加工精度保持穩(wěn)定。

3.4? ? 切削熱控制

刀具直接參與切削，切削過(guò)程中的發(fā)熱不可避免，刀具、工件、主軸都隨溫度的升高，精度發(fā)生改變。切削過(guò)程中根據(jù)工況不同，采用不同的冷卻方式，如刀具內(nèi)冷、外冷的冷卻方式，使切削產(chǎn)生的熱量被冷卻液帶走，一方面可以保護(hù)刀具，另一方面可以減少切削熱產(chǎn)生的熱變形。同時(shí)，使用適當(dāng)?shù)呐判佳b置，如機(jī)床常用的鏈板式排屑器、螺旋式排屑器、風(fēng)力除屑裝置等，使溫度較高的切屑快速移除出加工區(qū)域，降低對(duì)機(jī)床精度的影響，使熱變形保持在可控范圍內(nèi)。

4 電氣系統(tǒng)對(duì)熱變形的補(bǔ)償

除采用合理的結(jié)構(gòu)和冷卻系統(tǒng)外，電氣系統(tǒng)對(duì)熱變形的補(bǔ)償對(duì)于保證機(jī)床的熱穩(wěn)定性至關(guān)重要。采用專(zhuān)業(yè)的軟件系統(tǒng)及傳感器，采集機(jī)床主要零件，如主軸、滑枕、立柱、床身等的熱變形數(shù)據(jù)，建立熱誤差模型進(jìn)行系統(tǒng)分析和補(bǔ)償。原點(diǎn)平移熱誤差補(bǔ)償法是目前常用的熱位移補(bǔ)償方法。原點(diǎn)平移補(bǔ)償法原理是熱誤差補(bǔ)償控制器計(jì)算機(jī)床的熱誤差，這些誤差量作為補(bǔ)償信號(hào)被送至CNC控制器，然后通過(guò)CNC控制系統(tǒng)中PLC的I/O口平移參考原點(diǎn)，以此實(shí)現(xiàn)熱誤差量的補(bǔ)償[3]。

5 結(jié)語(yǔ)

在數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要加強(qiáng)對(duì)熱設(shè)計(jì)的重視。在機(jī)床結(jié)構(gòu)方面，可采用熱對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu);在溫度控制方面，可采用合理的冷卻、散熱、排屑等方式。機(jī)床從生熱到產(chǎn)生形變，過(guò)程非常復(fù)雜，其熱變形補(bǔ)償也非常復(fù)雜且重要，熱變形補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)對(duì)此做進(jìn)一步研究，形成系統(tǒng)的理論方法應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

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收稿日期：2020-06-08

作者簡(jiǎn)介：李國(guó)志（1981—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，研究方向：金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)。