數(shù)控機床熱伸長研究

郭翠娟，杜長林，張海波，孫宏偉，鄧鑫，張國帥，喬首銜

（科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

隨著技術的進步和社會的發(fā)展，各制造相關行業(yè)對數(shù)控機床的加工精度要求越來越高，尤其是一些精密加工場合，要求機床精度達到微米級甚至亞微米級。然而在數(shù)控機床的設計制造過程中會發(fā)現(xiàn)，從十道級到道級可能通過提高設計精度、加工精度、裝配精度等即可以實現(xiàn)，但從道級到微米級精度時，除制造精度的影響外，熱量對于機床精度的影響尤為凸顯，尤其是加工末端主軸處[1]。國外對這方面的研究和應用已有很長歷史，國內的研究也比較早，但應用上的差距還比較大。因此如何檢測主軸的熱伸長以及如何進行消除或補償一直是國內研究的熱點，且迫切需要解決。本文針對熱伸長的檢測方法及補償原理進行了闡述，總結了目前幾種有效的解決思路，為數(shù)控機床的高精度設計及應用提供了依據(jù)。

1 主軸及箱體熱變形分析及控制方法

機床在運轉過程中，主軸作為主要的發(fā)熱源之一，且處于加工的終端，對機床的實際加工精度影響極大。主軸發(fā)熱對機床整體的影響是多位置、多方向的，比較復雜，但在主軸軸向方向引起的伸長變形是最大的。目前測試發(fā)現(xiàn)，因主軸發(fā)熱導致軸向精度變化主要有兩部分，一是主軸自身的熱伸長L1，二是安裝主軸的箱體部分的熱伸長L2，如圖1所示。

圖1 熱伸長量的組成

1.1 主軸熱變形研究分析

對于主軸自身的熱伸長也包括兩部分：1）芯軸前方安裝刀具的端面相對主軸軸承固定法蘭之間的伸長，如圖1所示L3；2）主軸固定法蘭相對于主軸與箱體連接法蘭之間的伸長，如圖1所示L4。目前產(chǎn)品只能對L3進行實時測量及補償，且測量及補償?shù)木瓤梢赃_到微米或亞微米級。近幾年逐漸成熟的方法是在主軸前端加裝位移傳感器，直接測量讀取伸長量[2]。這種方式在國外的應用已比較成熟，近幾年國內廠商也有應用，而且市場上要求數(shù)控機床具有主軸熱伸長檢測及補償功能的用戶越來越多。這種測量方式如圖2所示。

圖2 內置式主軸熱伸長測量

圖3 外置式主軸熱伸長測量

內置式的方式和主軸結構做成一體，在機床實際使用過程中實時檢測主軸的伸長量并進行實時補償；外置式的方式僅是對主軸伸長進行線下檢測的一種方法，可充分測試并將采集的數(shù)值輸入機床的數(shù)控系統(tǒng)，進行補償，這種檢測方式直接檢測刀柄端面，是最直接的測量方法，數(shù)值比內置式更準確，但因不是實時檢測，擬合后的數(shù)據(jù)也會存在誤差。

因目前具有這種配置的主軸產(chǎn)品還不是主流產(chǎn)品，主要是因為成本增高，且后續(xù)在機床上的應用效果還有待提升，因此前期采用這種外置式的測試方法對主軸熱伸長量進行測量，對機床的使用有個預期，也是個不錯的方法。

內置式測量如圖2所示，將傳感器安裝在前端固定法蘭上，檢測件安裝在旋轉主軸上，靠近前端，主軸旋轉過程中，通過傳感器檢測檢測件沿軸向的變化量。通過傳感器的控制器將信號轉化為位移量輸送給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值通過移動Z軸滑枕進行Z方向的補償。該補償?shù)木热Q于傳感器的精度及機床的運動精度等，精度相對比較高。

對于主軸熱變形的L4，不涉及旋轉件，主要是軸承套和法蘭等因受熱而伸長的量。通常主軸前軸承套內會安裝軸承測溫傳感器，但主要是對軸承溫度的監(jiān)控，避免軸承使用過程中溫度過高而燒損，該傳感器設置盡量靠近軸承外圈，如果以此溫度作為軸承套和法蘭的溫度來計算零件的熱伸長量，會造成一定的誤差。如果軸承套帶冷卻結構，該處的伸長量相對比較少，目前多不考慮該處的伸長。但是在精密加工領域，該處也會引起微米級的影響。對于沒有冷卻的結構，該處的伸長量能達到10 μm級。該處針對機床精度要求做相應處理，可以再埋設傳感器測量軸承套的溫度，從而間接計算伸長量。

1.2 箱體熱變形研究分析

對于安裝主軸的箱體的伸長量則相對復雜，因機床運動特點，無法通過安裝上述傳感器進行實時的直接測量。目前多采用布置溫度傳感器，讀取溫度值，再通過計算擬合和試驗數(shù)據(jù)擬合出溫度-變形曲線，然后將該算法輸入數(shù)控系統(tǒng)進行補償[3-6]。這種補償?shù)妮斎肓烤褪遣杉降臏囟?，根?jù)不同的算法需求，可能需要滑枕不同位置的溫度和環(huán)境溫度等。這種方法的精確度影響因素較多，與溫度的采集點有很大關系[7]。且這種補償只是近似擬合，不同算法下的誤差大小差別也比較大。算法的準確性還要和實際測量結果進行對比和修正。而且箱體在運動方向所處位置不同對實際伸長結果也會有影響。

尤其需要注意的是，滑枕的伸長占總伸長量的絕大部分，因此僅解決主軸部分的熱伸長測量補償還是遠遠不夠的。

2 主軸及箱體熱變形實驗研究

早期未使用熱伸長檢測傳感器時可采用千分表的方式對某機床的Z向伸長量進行測量[8－9],或通過紅外測溫、激光測距等方法[10]，如圖4所示。

圖4 千分表法測量熱伸長

將需要關注的溫度位置貼上熱敏電阻或用紅外線測溫儀，在需要關注的變形點架上千分表，在冷機狀態(tài)下開始旋轉主軸，記錄不同時間下相關測溫點的溫度及Z軸的伸長量，該伸長包括滑枕的伸長、主軸法蘭的伸長、主軸芯軸的伸長等。因主軸在高速旋轉過程中不得接觸表針，主軸前端面的最后總伸長量我們通過快速移動千分表的方式來進行檢測。

因試驗數(shù)據(jù)較多，僅截取了部分數(shù)據(jù)（如表1）。

表1 機床伸長量測量

表2 哈默某型號機床伸長量

我們還觀察了德國哈默的機床，在主軸旋轉的過程中，通過控制面板可看到Z軸坐標在溫度穩(wěn)定前一直在向上移動，移動速度由快到慢最后趨于零。可見哈默機床是已經(jīng)做了溫度監(jiān)測及熱伸長補償?shù)?。因此在同?guī)格大小的機床中，尤其是在未進行補償?shù)臋C床中，該機床精度相對是較高的。

通過測試發(fā)現(xiàn)，因主軸旋轉發(fā)熱導致的Z 向精度變化很大，而其中由于主軸運轉導致滑枕的伸長占了總伸長量的很大一部分，同時主軸也不只是芯軸相對法蘭有伸長，法蘭自身也會伸長。因此主軸采用內置式位移檢測傳感器還會存在法蘭變形導致的誤差。而以上所有的變形量都和主軸的運轉發(fā)熱有關，因此減少主軸的發(fā)熱，以及阻隔主軸熱量向滑枕的傳遞是減少機床熱伸長的關鍵點。

3 目前有效的解決思路

目前針對上述熱變形有效的解決辦法主要有：1）主軸加裝傳感器進行測量及補償[11-12]。2）機床整機采用熱對稱的設計理念進行結構設計[13]，使得熱變形的方向盡可能單一，方便后續(xù)處理，目前的有限元軟件也可以進行熱-結構耦合分析[14-15]，可以在設計階段對將來的熱變形有初步的了解和措施。3）恒溫車間的應用。多數(shù)數(shù)控機床會要求比較好的應用環(huán)境，越是高精度的機床對環(huán)境溫度要求越苛刻，通常會要求到±1 ℃的溫度變化，這對于減少熱變形、提高機床的精度和使用壽命有很大作用。4）比較通用且成本較低的做法是要求用戶在開機使用前對機床進行熱機，這種做法在國內外已非常普遍，有張貼警示貼要求的，也有強制性啟動程序執(zhí)行的。不過隨著社會發(fā)展，很多客戶希望開機就能工作，提高效率，增加收益。因此出現(xiàn)了恒溫主軸、恒溫機床的概念，以達到從根本上消除熱變形，整個機床在使用過程中處于一個恒定的溫度，沒有溫度的變化就沒有因溫升導致的變形。

現(xiàn)有主軸結構很容易實現(xiàn)對軸承外圈、電動機定子等的冷卻，因為這些位置的冷卻進出口均在固定零件上，而對于恒溫主軸的結構上的突破即是在現(xiàn)有主軸結構基礎上給主軸芯軸加裝冷卻，這是減少主軸熱伸長的一個有效途徑，通過給旋轉的主軸進行冷卻，直接降低芯軸的溫升，減少伸長。但因需要給旋轉中的芯軸進行冷卻液的供給，難度較大。國際上Fisher、Step-tec、牧野等廠商在芯軸冷卻上比較成熟。國內近兩年也有廠家在做這方面的嘗試，但基于成本和難度，目前沒有成熟的產(chǎn)品在售賣，多處于研究或試制階段。而且恒溫主軸通常采用獨立的精密的冷卻設備，單獨對主軸內的冷卻液進行精準調控。

此外主軸電動機的冷卻近年在結構上也有所改進，通常電動機套筒的冷卻為螺旋型環(huán)槽冷卻，而近些年國外的一些電動機的套筒做了一些改變，采用細密的冷卻槽，如圖5所示。

圖5 螺旋槽冷卻

圖6 新冷卻水道

通過核算，新的冷卻水道面積比之前的更大，在相同流量的前提下，第二種冷卻效果更好。有的主軸廠商也把這種冷卻叫傾瀉式冷卻。

有研究表明，在相同的冷卻槽下，在一定流量范圍內，通過加大冷卻流量，可明顯降低電動機的溫度[16]。針對某款電主軸進行了測試，為保證主軸不損壞，流量不能無限縮小，僅對3個流量（5.8 L/min、8 L/min、10 L/min）進行了測試，結果顯示，隨著流量的加大，電動機最終穩(wěn)定溫度沒有改變，但達到穩(wěn)定溫度的時間明顯縮短，可以說明5.8 L/min的流量對該電動機冷卻已足夠，如想縮短預熱時間，可采取這種方式。測試結果如圖7所示。

圖7 主軸流量測試

對于恒溫機床，主要是對相關結構件進行恒溫冷卻，如床身、滑枕滑鞍等。使得機床在使用過程中一直處于一種溫度微小變化的狀態(tài)。大大減小機床結構件因為溫度的變化而造成的變形問題。其次給機床相關結構件外圍加裝保溫層也是一種有效方式。像日本牧野、安田高精度的機床多采用這種方式。

除了機械結構上為恒溫主軸、恒溫機床做好準備，還需在冷卻設備、精密控制上配合到位，才能真正地實現(xiàn)恒溫。

以上幾種方法都是目前市場上在用的比較有效的解決機床熱伸長的方法。主要還是要在結構設計上，從根本上減少發(fā)熱、增加散熱、減少熱變形等，其次再考慮用補償?shù)姆绞竭M行精度補償。

4 結語

本文對導致主軸前端面的熱伸長進行了詳細分析與測量，指出了影響精度及進行補償?shù)年P鍵幾個尺寸。但測量和補償?shù)姆椒ㄖ皇窃跓o法避免變形的情況下的補救措施，存在一定的誤差。而主軸冷卻設計、機床熱對稱設計、減少熱源發(fā)熱和高精度恒溫冷卻才是減少機床熱變形的根本方向。恒溫電主軸、恒溫機床為精密機床提供了根本的解決思路，是高精度數(shù)控機床未來的發(fā)展趨勢。