數(shù)控機床熱設(shè)計技術(shù)分析

馬鵬霄 石永珊 王聰偉

摘 要：近年來，隨著我國數(shù)控機床加工制造的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的加工精度得到了很大的提高，但是在可靠性，精度維護和耐熱性方面還需要提高。本文對數(shù)控機床的熱設(shè)計技術(shù)進行細致分析，包括熱鏡系統(tǒng)的整體設(shè)計，冷卻和散熱方法的設(shè)計以及電氣系統(tǒng)的熱變形補償，以確保數(shù)控機床的耐熱性，進一步提高了機床的加工精度。

關(guān)鍵詞：機床熱設(shè)計;熱鏡像結(jié)構(gòu)設(shè)計;機床冷卻

耐熱性是影響數(shù)控機床精度的主要條件。當許多數(shù)控機床生產(chǎn)和加工高精度零件時，機械設(shè)備本身無法滿足熱穩(wěn)定性法規(guī)，它們受生產(chǎn)車間溫度變化，主軸軸承熱旋轉(zhuǎn)，滑軌摩擦熱和電機除熱等因素的影響。連續(xù)不規(guī)則地偏移程序流程的預(yù)設(shè)坐標點，導致產(chǎn)品工件的生產(chǎn)和加工質(zhì)量下降甚至損壞。本文重點分析了數(shù)控機床的熱設(shè)計技術(shù)，包括熱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)控機床生產(chǎn)中使用的熱補償方法的設(shè)計方案等，以進一步提高數(shù)控機床的加工精度，以確保數(shù)控機床的耐熱性。

一、機床熱設(shè)計技術(shù)

金屬復合材料具有熱膨脹和冷收縮的特性。溫度每變化1℃，鋼的長度就變化11.7μm/ m。在減少數(shù)控機床熱偏差的設(shè)計中，從源頭上改善數(shù)控機床的熱特性非常重要。數(shù)控機床開始運行后，零件的溫度緩慢升高，規(guī)格隨溫度變化而變化時，數(shù)控機床的加工精度不穩(wěn)定。當零件的熱值和熱容量達到平衡時，數(shù)控機床的精度將保持穩(wěn)定。但是，由于設(shè)計方案和制造水平的原因，某些數(shù)控機床無法實現(xiàn)熱循環(huán)，這導致數(shù)控機床無法始終實現(xiàn)平滑的加工精度。

二、采用熱鏡像結(jié)構(gòu)

在整個操作過程中，數(shù)控機床不可避免地會變熱。有必要確保熱變形是規(guī)律的和可操縱的，并且熱變形符合預(yù)測的發(fā)展趨勢，為后續(xù)的電路系統(tǒng)熱補償?shù)於ɑA(chǔ)。熱鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是典型的接受熱量和操縱熱量的結(jié)構(gòu)。熱鏡系統(tǒng)為完善的數(shù)控機床的主要工程追求全面的鏡系統(tǒng)。它包括加工廠的標準橫截面，并徹底開發(fā)了數(shù)控機床的基本零件和熱原。數(shù)控機床的熱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。基本部件，床身，立桿，主軸軸承箱和工作臺都是相對標準橫截面的鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且刀架電機X1，X2，Y1，Y2和Z1是主要的發(fā)熱體，它們也布置在相對標準橫截面的鏡面系統(tǒng)中。特別是進給電機X1和X2的布局，具有相同結(jié)構(gòu)的電機布置在同一進給滾珠絲杠的兩側(cè)，實現(xiàn)機床結(jié)構(gòu)與熱源的完全鏡像，結(jié)構(gòu)較為先進。利用熱鏡像結(jié)構(gòu)，熱源影響機床發(fā)生形變后加工點依舊處于鏡像基準的截面之中，機床精度變化受熱變形的影響較小。

三、采用適當?shù)臋C床冷卻方式

（一）主軸冷卻

主軸軸承是數(shù)控機床的核心部件。由于主軸軸承最靠近鉆孔點，因此其精度變化對加工精度的影響更大。在主軸軸承高速運行的整個過程中，熱原的關(guān)鍵來源是機床主軸軸承的滾動摩擦。熱量會使?jié)L動軸承變形，從而損害主軸軸承的精度并縮短滾動軸承的使用壽命。數(shù)控機床的一般簡單冷卻方法是對機床主軸軸承的第二回路進行冷卻。由于第二回路不旋轉(zhuǎn)，因此結(jié)構(gòu)相對簡單，但是實際的冷卻效果并不理想。數(shù)控機床的適當冷卻方法應(yīng)基于主軸軸承本身，以便在滾動軸承的內(nèi)圈上進行循環(huán)系統(tǒng)制冷，以使主軸軸承和滾動軸承的內(nèi)圈不會膨脹，滾動軸承保持穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力，并有效潤滑滾動軸承，以減少摩擦和熱量的產(chǎn)生，并保持主軸軸承溫度的穩(wěn)定性。但是，由于滾動軸承內(nèi)圈的制冷結(jié)構(gòu)比較復雜，因此在中國的數(shù)控機床中很少使用。除了制冷滾動軸承外，還應(yīng)特別注意主軸軸承箱的設(shè)計，主軸箱必須具有足夠的熱彎曲剛度和優(yōu)良的散熱結(jié)構(gòu)。

（二）機床基礎(chǔ)零件及加工環(huán)境的冷卻

在數(shù)控機床的基礎(chǔ)部件中設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)，連接制冷材料，溫控裝置促進制冷材料對數(shù)控機床本身進行循環(huán)系統(tǒng)冷卻，使基礎(chǔ)部件的溫度穩(wěn)定，并提高了數(shù)控機床領(lǐng)域的絕緣材料的生產(chǎn)。熱循環(huán)保護罩可以阻止外部工作溫度變化對數(shù)控機床的危害。熱循環(huán)保護蓋使數(shù)控機床的生產(chǎn)和加工的自然環(huán)境產(chǎn)生一個單獨的室內(nèi)空間，空調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境相連，以控制溫度并保持溫度穩(wěn)定，因此可以長期保持機床的加工精度。

四、電氣系統(tǒng)對熱變形的補償

除了選擇有效的結(jié)構(gòu)和制冷系統(tǒng)外，對電路系統(tǒng)進行熱變形補償對于確保數(shù)控機床的耐熱性也特別重要。選擇技術(shù)專業(yè)的系統(tǒng)軟件和傳感器，收集數(shù)控機床關(guān)鍵零件的熱變形數(shù)據(jù)信息，如主軸軸承，柱塞，桿，床身等，并創(chuàng)建熱偏差實體模型，進行結(jié)構(gòu)分析和補償。起點平移轉(zhuǎn)換熱偏移補償方法是現(xiàn)階段常用的熱偏移補償方法。起點平移轉(zhuǎn)換補償方法的基本原理是熱偏差補償控制板的電子計算機床的熱偏差。該偏差作為補償數(shù)據(jù)信號發(fā)送至數(shù)控控制板，然后根據(jù)數(shù)控自動控制系統(tǒng)中PLC的I / O端口進行轉(zhuǎn)換。更改參考起點以完成對熱偏差的補償。

在數(shù)控機床的設(shè)計過程中，有必要強調(diào)熱設(shè)計的重要性。在數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)層次上，可以選擇熱對稱結(jié)構(gòu)。在溫度控制級別，可以選擇有效的冷卻，除熱和研磨方法。數(shù)控機床從發(fā)熱到變形的整個過程比較復雜，其熱變形補償也更加復雜和關(guān)鍵。熱變形補償是提高數(shù)控機床加工精度的核心技術(shù)。在這個問題上應(yīng)該做進一步的科學研究，形成系統(tǒng)的理論方法應(yīng)用到數(shù)控機床設(shè)計領(lǐng)域。

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