數(shù)控機(jī)床熱變形分析研究及自動(dòng)熱補(bǔ)償技術(shù)應(yīng)用

何曉峰 石鑫江 張小雨

摘要：本文對(duì)數(shù)控機(jī)床存在的各種熱源進(jìn)行分析，并提出減少發(fā)熱量的各種措施。最后，以立式加工中心的Z軸應(yīng)用自動(dòng)熱補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償為例，取得了有益效果。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床;熱變形;措施;自動(dòng)熱補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：TG659? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）14-0095-02

0? 引言

當(dāng)今世界，數(shù)控機(jī)床的使用越來(lái)越普及，尤其隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，人們對(duì)于數(shù)控機(jī)床提出了更高的精度、速度要求以滿(mǎn)足現(xiàn)代生產(chǎn)的需求。眾所周知，影響數(shù)控機(jī)床精度的因素很多，就機(jī)床主機(jī)而言由于不同內(nèi)部、外部熱源作用下引起的局部熱變形，是造成機(jī)床精度變化的重要原因之一。而且由于溫度變化引起的熱變形對(duì)精度的影響是個(gè)緩慢不斷變化的過(guò)程，在生產(chǎn)中也往往容易被使用者所忽視。

1? 機(jī)床熱源存在形式

眾所周知，熱變形的基本過(guò)程是熱源→溫升→熱變形。研究機(jī)床的熱誤差，必須首先明確機(jī)床各個(gè)發(fā)熱源。機(jī)床加工運(yùn)行過(guò)程中的各種熱源包括：①數(shù)控機(jī)床所處的空間環(huán)境對(duì)于機(jī)床熱變形存在較大影響。例如，機(jī)床所處位置存在局部光照情況，機(jī)床在長(zhǎng)時(shí)間日照下將引起局部溫升，從而產(chǎn)生溫差引起熱變形，最終影響精度。②機(jī)械接觸部件的局部發(fā)熱。比較常見(jiàn)有主軸軸承發(fā)熱、絲桿軸承發(fā)熱、絲桿螺母發(fā)熱等。具體表現(xiàn)為兩個(gè)零件間相互接觸運(yùn)動(dòng)，由于摩擦力的存在導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生大量熱量，引起局部溫升造成熱變形。絲桿做為高精度零件，本是機(jī)床精度的重要保障，但是絲桿工作時(shí)在其兩端及中間位置都存在熱源分布，屬于細(xì)長(zhǎng)桿類(lèi)零件的絲桿對(duì)于溫度的變化又比較敏感。如何解決絲桿熱伸長(zhǎng)是關(guān)于機(jī)床精度保障研究的重要課題之一。③電氣元件的發(fā)熱。電氣元件包括：伺服軸電機(jī)、主軸電機(jī)、電柜內(nèi)電氣件工作發(fā)熱等。電機(jī)發(fā)熱主要來(lái)自繞組導(dǎo)線(xiàn)的通電發(fā)熱（銅損）及軸承機(jī)械摩擦發(fā)熱，產(chǎn)生的熱量將可能通過(guò)聯(lián)軸器傳遞給絲桿，通過(guò)電機(jī)座傳遞給機(jī)床本體，引起局部溫升，產(chǎn)生熱變形。④切削熱。切削加工會(huì)伴隨著大量的熱產(chǎn)生，切屑和切削液會(huì)帶走一部分熱量。一部分熱量則被工件吸收，一部分熱量通過(guò)刀具進(jìn)入主軸端，直接導(dǎo)致主軸熱漂移誤差變大。

2? 機(jī)床降低熱變形的方法

①盡可能少的采用發(fā)熱元器件或想辦法減少發(fā)熱元件對(duì)機(jī)床的影響。比如，采用接觸形式由滾動(dòng)替代滑動(dòng)，可降低摩擦力，減少發(fā)熱;動(dòng)力源盡可能的采用氣動(dòng)形式替代液壓，可降低發(fā)熱;合理選擇電動(dòng)機(jī)規(guī)格，減少浪費(fèi)，降低發(fā)熱量;合理布置發(fā)熱元件，使其按對(duì)機(jī)床造成熱變形盡量小的方式安放等。②機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用對(duì)稱(chēng)方案，對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)形式可以實(shí)現(xiàn)機(jī)床在不同熱源作用下產(chǎn)生的熱變形量達(dá)到最小，最大限度的保障機(jī)床精度。機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用對(duì)稱(chēng)方案是指在零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，盡量使零部件的熱源、散熱面積等對(duì)稱(chēng)分布，以保持熱變形后機(jī)床敏感精度的中心位置不變。③機(jī)床在開(kāi)機(jī)工作時(shí)，增加必要的熱機(jī)步驟，使機(jī)床導(dǎo)軌、絲桿、電機(jī)等發(fā)熱源充分工作并達(dá)到熱平衡狀態(tài)，這對(duì)于機(jī)床的高精度，高穩(wěn)定性工作具有現(xiàn)實(shí)意義。因?yàn)闄C(jī)床由剛開(kāi)機(jī)冷機(jī)狀態(tài)工作到熱機(jī)穩(wěn)定狀態(tài)，雖然時(shí)間不長(zhǎng)，但是存在局部升溫嚴(yán)重造成溫差產(chǎn)生，引起熱變形。④機(jī)床放置于恒溫車(chē)間，使機(jī)床工作環(huán)境溫度保持恒定，可以最大限度的降低溫差，降低機(jī)床熱變形。另外，機(jī)床的關(guān)鍵部件及發(fā)熱嚴(yán)重的部件需要增加恒溫油冷或水冷，利用設(shè)定的恒溫流體循環(huán)流過(guò)主軸軸承、直線(xiàn)電機(jī)等熱源部位，通過(guò)對(duì)流熱交換，帶走熱量，降低局部溫升，控制熱變形。恒溫冷卻系統(tǒng)的使用已經(jīng)是現(xiàn)階段機(jī)床主軸降低熱變形保證精度的重要手段。⑤機(jī)床加工產(chǎn)生切屑的合理處理。機(jī)床加工時(shí)產(chǎn)生的切屑掉落于床上或飛濺于防護(hù)上，由于切屑自帶熱量，大量切屑的堆積將會(huì)是一個(gè)不可忽視的熱源。如何快速有效的將切屑排出機(jī)床外，也是機(jī)床設(shè)計(jì)的一個(gè)重大課題之一。關(guān)于切屑熱的處理，還可以通過(guò)加大冷卻液流量進(jìn)行冷卻優(yōu)化。不過(guò)現(xiàn)在還可以通過(guò)采用高速銑削的方式來(lái)減少切屑自身的熱量，尤其是高精度鋁合金薄壁的加工方面已經(jīng)得到了普遍應(yīng)用。

3? 自動(dòng)熱補(bǔ)償技術(shù)驗(yàn)證示列

現(xiàn)以某廠(chǎng)MV80立式加工中心為研究對(duì)象，應(yīng)用自動(dòng)熱補(bǔ)償手段解決Z軸熱機(jī)前后的定位誤差過(guò)大的問(wèn)題。

為了驗(yàn)證誤差補(bǔ)償器的補(bǔ)償效果，上午機(jī)床以4.5m/min熱機(jī)30分鐘，下午以30m/min熱機(jī)30分鐘 ，分別測(cè)試補(bǔ)償前后，機(jī)床在熱機(jī)前后的定位誤差。

3.1 進(jìn)給速度為4.5m/min的補(bǔ)償效果（上午）

機(jī)床在早晨開(kāi)機(jī)處于冷態(tài)時(shí)，分別測(cè)量其在補(bǔ)償前后的定位誤差，此時(shí)室溫為4℃，絲桿螺母溫度為4.3℃。然后機(jī)床以4.5m/min的進(jìn)給速度熱機(jī)30min，分別測(cè)量熱機(jī)后補(bǔ)償前后的定位誤差，此時(shí)室溫為4.1℃，絲桿螺母溫度為9.2℃。測(cè)試結(jié)果如圖1與表1所示。

3.2 進(jìn)給速度為30m/min的補(bǔ)償效果（下午）

在機(jī)床中午冷機(jī)2小時(shí)完全冷卻后，先分別測(cè)量其在補(bǔ)償前后的定位誤差，此時(shí)室溫為8.3℃，絲桿螺母溫度為8.5℃。然后機(jī)床以30m/min的進(jìn)給速度熱機(jī)30min，分別測(cè)量熱機(jī)后補(bǔ)償前后的定位誤差，此時(shí)室溫為8.5℃，絲桿螺母溫度為27.5℃。測(cè)試結(jié)果如圖2與表2所示。

3.3 Z軸熱誤差檢測(cè)

參照機(jī)床用戶(hù)檢測(cè)Z軸熱誤差的方式，用千分表分別檢測(cè)補(bǔ)償后，Z軸以30m/min的進(jìn)給速度熱機(jī)30min與機(jī)床冷機(jī)30min時(shí)Z軸熱誤差變化大小。經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)補(bǔ)償后，熱機(jī)與冷卻的整個(gè)過(guò)程中，千分表指針的偏擺量均在15um以?xún)?nèi);如果關(guān)閉補(bǔ)償功能，千分表指針的偏擺量可以達(dá)到130um。

3.4 有益效果

補(bǔ)償前，Z軸在冷態(tài)定位精度在120-100um 之間，嚴(yán)重影響客戶(hù)冷態(tài)加工工件的精度。實(shí)施補(bǔ)償后，Z軸在各種室溫下的冷態(tài)定位精度均維持在15um以?xún)?nèi)，在各種熱態(tài)下測(cè)得的定位精度也維持在20um以?xún)?nèi)，其精度整體提高了80%左右。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，熱變形是影響機(jī)床定位精度的重要因素。誤差預(yù)防方面：合理的機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是減少機(jī)床熱變形的基礎(chǔ);誤差補(bǔ)償方面，采取自動(dòng)熱補(bǔ)償裝置抵消熱變形影響已經(jīng)成為控制機(jī)床熱變形的有效手段。最后，相信隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于熱變形的研究必將有新的突破。

參考文獻(xiàn)：

[1]谷繼永.控制機(jī)床熱變形的措施探討[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005（6）.

[2]陶曉杰，王治森.機(jī)床誤差補(bǔ)償方法探討[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2005（5）：18-19.

[3]李傳乾.機(jī)床摩擦、磨損與潤(rùn)滑[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990：12-38.

[4]王金生.XK717數(shù)控銑床熱特性研究[D].浙江：浙江工業(yè)大學(xué)，2004.