數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差及優(yōu)化策略研究

郭婷

摘要：數(shù)控機(jī)床具有非常高的加工精度與加工效率，是機(jī)械制造行業(yè)不可或缺的重要設(shè)施。數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，主軸位置會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床加工精度降低，為此，必須要盡可能消除主軸熱誤差。主軸熱能主要來(lái)源于外部環(huán)境以及機(jī)床本身熱能，其中電動(dòng)機(jī)發(fā)熱與軸承發(fā)熱產(chǎn)生的熱能難以有效去除，需要分析發(fā)熱緣由并計(jì)算熱量大小。為了有效控制主軸熱誤差，可以從改進(jìn)結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)溫度控制水平、額外增加熱源與自身熱能相平衡、構(gòu)建熱誤差-溫升模型三個(gè)方面進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;主軸;熱誤差

0 ?引言

制造業(yè)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)體系中占據(jù)了相當(dāng)大的分量，每年國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值中有大約4成是制造業(yè)貢獻(xiàn)的。由此可見(jiàn)，制造業(yè)在促進(jìn)社會(huì)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用，必須要采取多種措施推動(dòng)制造業(yè)不斷發(fā)展，目前我國(guó)制造業(yè)逐步朝向信息化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展，加工效率、加工精度等實(shí)現(xiàn)了較大增長(zhǎng)。數(shù)控加工是現(xiàn)代制造業(yè)中及其重要的一部分，相比較與傳統(tǒng)加工方式，數(shù)控加工具有更大的優(yōu)勢(shì)，不僅加工精度高、加工速度快，同時(shí)也能夠滿足各種復(fù)雜、非標(biāo)的零部件加工需求，引領(lǐng)現(xiàn)代制造業(yè)向精密加工方向前進(jìn)。數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程中，會(huì)受到自身以及外界環(huán)境因素的影響，導(dǎo)致加工精度降低，影響機(jī)械加工品質(zhì)，為了提高數(shù)控機(jī)床加工效果，必須要降低各種不良因素對(duì)數(shù)控加工的影響。為此，本文對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸熱量產(chǎn)生的原因與發(fā)熱量進(jìn)行了計(jì)算，并提出了降低主軸熱誤差的優(yōu)化策略。

1 ?數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差產(chǎn)生原因與發(fā)熱量計(jì)算

數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過(guò)程中，主軸位置會(huì)產(chǎn)生較大的熱量，一般來(lái)說(shuō)熱量主要來(lái)自于兩個(gè)方面，分別是外部環(huán)境產(chǎn)生的熱量以及機(jī)床本身產(chǎn)生的熱量[1]。其中，外部環(huán)境熱量通常是自然環(huán)境中的熱量以及太陽(yáng)輻射產(chǎn)生的熱量，而機(jī)床本身產(chǎn)生的熱量通常是電能與動(dòng)能轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的熱能、切削加工以及摩擦產(chǎn)生的熱能等。為了降低外部熱量對(duì)數(shù)控機(jī)床運(yùn)行的影響，可以通過(guò)控制外界環(huán)境溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)，保證加工車(chē)間處于恒定的溫度值;而機(jī)床本身產(chǎn)生的熱能中，切削工件以及碎屑會(huì)帶走一部分熱量，必須要控制余下的熱量對(duì)機(jī)床運(yùn)行的影響，可以通過(guò)增加冷卻液的方式降低切削熱量，保障數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定運(yùn)行。除了上述熱能產(chǎn)生位置外，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)使一部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能、各個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件之間也會(huì)產(chǎn)生較多的摩擦熱量，這兩個(gè)熱量成為了影響數(shù)控機(jī)床溫度控制的主要問(wèn)題[2]。

1.1 電動(dòng)機(jī)發(fā)熱緣由與計(jì)算

要想進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床加工精度，并保證加工過(guò)程的穩(wěn)定性，必須要控制數(shù)控機(jī)床主軸溫度，降低熱誤差對(duì)加工品質(zhì)的影響。要想精確分析數(shù)控機(jī)床主軸溫度對(duì)加工精度的影響，必須要明確主軸電動(dòng)機(jī)的額定功率。在本研究中選取電動(dòng)機(jī)額定功率為30kW，結(jié)合線性內(nèi)插法可以得知，效率峰值ηmax=0.91。要想獲得更加精準(zhǔn)的效率數(shù)值，還必須要借用兩個(gè)無(wú)量綱效率系數(shù)，即ηs與η1，系數(shù)值所屬區(qū)域?yàn)閇0，1]。數(shù)控機(jī)床主軸在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量受到實(shí)際轉(zhuǎn)速、負(fù)載大小的影響，計(jì)算公式如下[3]：

上述公式中，Qm表示為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的實(shí)際熱量值，p表示為電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)，n表示為數(shù)控機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)速度。

1.2 軸承發(fā)熱緣由與計(jì)算

數(shù)控機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)是通過(guò)軸承旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，軸承會(huì)產(chǎn)生大量的熱能。軸承自身包含了內(nèi)圈、外圈、滾動(dòng)體、支撐環(huán)以及擋墊等部件，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，軸承內(nèi)圈與外圈產(chǎn)生高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而內(nèi)圈與外圈之間的各個(gè)部件會(huì)產(chǎn)生較大的阻抗，由此產(chǎn)生摩擦。通常來(lái)說(shuō)，軸承內(nèi)部摩擦主要包含了以下幾個(gè)種類(lèi)，分別是純滾動(dòng)摩擦、小幅滑動(dòng)摩擦、大幅滑動(dòng)摩擦以及滑動(dòng)摩擦[5]。其中純滾動(dòng)摩擦主要出現(xiàn)在滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間;小幅滑動(dòng)摩擦主要是由于內(nèi)外圈旋轉(zhuǎn)速度高于滾動(dòng)體速度，使得滾動(dòng)體與內(nèi)外圈之間產(chǎn)生小幅滑動(dòng);大幅滑動(dòng)摩擦主要體現(xiàn)在滾動(dòng)體與保持架之間、滾動(dòng)體與擋墊端面;滑動(dòng)摩擦主要體現(xiàn)在密封部件之間。

軸承在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，當(dāng)摩擦力矩越大、旋轉(zhuǎn)速度越高，則在單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量也就越多，反之則產(chǎn)生的熱量越少，軸承的實(shí)際發(fā)熱量可以用以下公式表示：

上述公式中，Qb表示為軸承運(yùn)動(dòng)中實(shí)際發(fā)熱量，M表示為軸承摩擦力矩。

相同的軸承，摩擦力矩也不是恒定不變的。伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)水平的不斷提升，軸承的型號(hào)、用途、承載以及額定轉(zhuǎn)速等都出現(xiàn)了較大的改變，同時(shí)軸承在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行過(guò)程中，摩擦力矩也展現(xiàn)出來(lái)了多樣化的特征，由此可見(jiàn)，要想精準(zhǔn)計(jì)算出摩擦扭矩的實(shí)際數(shù)值具有非常大的難度，在實(shí)際計(jì)算過(guò)程中，只能通過(guò)理想方式計(jì)算出最為接近的摩擦扭矩?cái)?shù)值。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，可以將摩擦扭矩求解方式進(jìn)行簡(jiǎn)化，這種方式是將摩擦力表現(xiàn)為承載以及速度兩個(gè)方面，兩方面結(jié)合起來(lái)就是力矩，其表達(dá)公式如下：

M=M1+MV

2 ?數(shù)控機(jī)床主軸熱誤差優(yōu)化策略

2.1 主軸熱誤差識(shí)別

為了更好的消除主軸熱誤差對(duì)數(shù)控機(jī)床加工品質(zhì)的影響，必須要能夠正確識(shí)別主軸熱誤差。通常情況下，誤差識(shí)別的方法涵蓋了以下兩種類(lèi)型，分別是對(duì)機(jī)床周?chē)臻g進(jìn)行直接量取以及誤差合成方法[6]。

具體來(lái)說(shuō)，第一種方法是通過(guò)專(zhuān)用儀器對(duì)數(shù)控機(jī)床主軸附近不同位置的溫度進(jìn)行直接測(cè)量，并同步獲取對(duì)應(yīng)溫度下的主軸誤差數(shù)值，選用的測(cè)量設(shè)施有激光干涉儀、溫度儀等，采用設(shè)備分別測(cè)量同一時(shí)間下刀具切削面與加工件表面的溫度，從而得到兩者的熱誤差。采用這種方法能夠得到較為精準(zhǔn)的結(jié)果，并且測(cè)量工作非常簡(jiǎn)單、容易操作。

第二種方法是將數(shù)控機(jī)床主軸分割為多個(gè)構(gòu)件，然后對(duì)每一個(gè)構(gòu)件的變形程度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到各個(gè)構(gòu)件的熱誤差，之后再將所有構(gòu)件的熱誤差進(jìn)行整合，最終得到總的熱誤差。

2.2 主軸熱誤差改進(jìn)方法

主軸熱誤差會(huì)降低數(shù)控機(jī)床加工品質(zhì)，必須要采取有效措施防范主軸熱誤差產(chǎn)生，通常來(lái)說(shuō)可以通過(guò)以下三種途徑進(jìn)行控制[7]：

第一，改進(jìn)結(jié)構(gòu)并增強(qiáng)溫度控制水平。

這種方法是對(duì)數(shù)控機(jī)床總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，逐步改善機(jī)床本身的熱傳導(dǎo)能力，使得自身達(dá)到最優(yōu)的熱對(duì)稱布局。為此，可以改變電主機(jī)固定方式與區(qū)域，盡可能的遠(yuǎn)離電源。在保證數(shù)控機(jī)床加工水平與功能的前提下，在主軸線前端部位增加散熱裝置，避免機(jī)床內(nèi)部熱量散入到主軸箱內(nèi)。在主軸箱前端面設(shè)置變速箱以及傳動(dòng)箱，同時(shí)在相互連接的部件之間增加循環(huán)冷卻裝置。在主軸箱各個(gè)側(cè)面設(shè)置大功率風(fēng)扇，確保主軸箱內(nèi)產(chǎn)生的熱量能夠迅速散發(fā)出去，從而降低熱誤差。最后，也要提高冷卻設(shè)備的工作水平，結(jié)合并聯(lián)冷卻方法，進(jìn)一步強(qiáng)化冷卻能力。

第二，額外增加熱源與自身熱能相平衡。

這種方法是在深入研究和理解熱平衡原理基礎(chǔ)上進(jìn)行的，具體操作是在主軸箱與變速箱連接位置設(shè)置瞬態(tài)電源，盡管這種方法無(wú)法有效避免主軸箱出現(xiàn)變形，但是可以很好的防止刀具端面出現(xiàn)變形，有助于改善數(shù)控機(jī)床切削精度。

第三，構(gòu)建熱誤差-溫升模型，通過(guò)觀察圖標(biāo)中曲線的走勢(shì)，得到各個(gè)位置的熱變形特征，制定科學(xué)合理的熱誤差補(bǔ)償方法，有目的性的進(jìn)行補(bǔ)償控制測(cè)量，降低主軸熱誤差，從而改善數(shù)控機(jī)床加工質(zhì)量。

3 ?結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)機(jī)械制造行業(yè)正在朝向高智能、高精度方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床作為機(jī)械制造領(lǐng)域重要的加工設(shè)備，必須要不斷改善自身的加工品質(zhì)，科學(xué)、有效控制機(jī)床運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量，降低熱量對(duì)主軸工作的影響，不斷提高數(shù)控機(jī)床加工精度，促進(jìn)機(jī)械制造行業(yè)進(jìn)一步發(fā)展。

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