各種溫差影響數(shù)控機床精度的原因

一、機床的溫升及溫度分布1、自然氣候影響我國幅員遼闊，大部分地區(qū)處于亞熱帶地區(qū)，一年四季的溫度變化較大，一天內(nèi)溫差變化也不一樣。由此，人們對室內(nèi)（如車間）溫度的干預的方式和程度也不同，機床周圍的溫度氛圍千差萬別。例如，長三角地區(qū)季節(jié)溫度變化范圍約45℃左右，晝夜溫度變化約5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱，夏天無空調(diào)，但只要車間通風較好，機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區(qū)，季節(jié)溫差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至次年4月初為供暖期，機加工車間的設計有供暖，空氣流通不足。車間內(nèi)外溫差可達50℃。因此車間內(nèi)冬季的溫度梯度十分復雜，測量時室外溫度1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內(nèi)溫度變化約3.5℃。精密機床的加工精度在這樣的車間內(nèi)受環(huán)境溫度影響將是很大的。2、周圍環(huán)境的影響機床周圍環(huán)境是指機床近距離范圍內(nèi)各種布局形成的熱環(huán)境。它們包括以下3個方面。1）車間小氣候：如車間內(nèi)溫度的分布（垂直方向、水平方向）。當晝夜交替或氣候以及通風變化時車間溫度均會產(chǎn)生緩慢變化。2）車間熱源：如太陽照射、供暖設備和大功率照明燈的輻射等，它們離機床較近時可直接長時間影響機床整體或部分部件的溫升。相鄰設備在運行時產(chǎn)生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影響機床溫升。3）散熱：地基有較好的散熱作用，尤其是精密機床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏時，可能成為一個難以找到原因的熱源；敞開的車間將是一個很好的“散熱器”，有利于車間溫度均衡。4）恒溫：車間采取恒溫設施對精密機床保持精度和加工精度是很有效果的，但能耗較大。3、機床內(nèi)部熱影響因素1）機床結(jié)構(gòu)性熱源。電動機發(fā)熱如主軸電動機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電動機、電控箱等均可產(chǎn)生熱量。這些情況對電動機本身來說是允許的，但對于主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響，應采取措施予以隔離。當輸入電能驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)時，除了有少部分（約20%左右）轉(zhuǎn)化為電動機熱能外，大部分將由運動機構(gòu)轉(zhuǎn)化為動能，如主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺運動等；但不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉(zhuǎn)化為摩擦發(fā)熱，例如軸承、導軌、滾珠絲杠和傳動箱等機構(gòu)發(fā)熱。2）工藝過程的切削熱。切削過程中刀具或工件的動能一部分消耗于切削功，相當一部分則轉(zhuǎn)化切削的變形能和切屑與刀具間的摩擦熱，形成刀具、主軸和工件發(fā)熱，并由大量切屑熱傳導給機床的工作臺夾具等部件。它們將直接影響刀具和工件間的相對位置。3）冷卻。冷卻是針對機床溫度升高的反向措施，如電動機冷卻、主軸部件冷卻以及基礎結(jié)構(gòu)件冷卻等。高端機床往往對電控箱配制冷機，予以強迫冷卻。4、機床的結(jié)構(gòu)形態(tài)對溫升的影響在機床熱變形領域討論機床結(jié)構(gòu)形態(tài)，通常指結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、材料性能和熱源分布等問題。結(jié)構(gòu)形態(tài)影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱變形方向及匹配等。1）機床的結(jié)構(gòu)形態(tài)。在總體結(jié)構(gòu)方面，機床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等，對于熱的響應和穩(wěn)定性均有較大差異。例如齒輪變速的車床主軸箱的溫升可高達35℃，使主軸端上抬，熱平衡時間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心，機床有一個穩(wěn)定的底座。明顯提高了整機剛度，主軸采用伺服電動機驅(qū)動，去除了齒輪傳動部分，其溫升一般小于15℃。2）熱源分布的影響。機床上通常認為熱源是指電動機。如主軸電動機、進給電動機和液壓系統(tǒng)等，其實是不完全的。電動機的發(fā)熱只是在承擔負荷時，電流消耗在電樞阻抗上的能量，另有相當一部分能量消耗于軸承、絲杠螺母和導軌等機構(gòu)的摩擦功引起的發(fā)熱。所以可把電動機稱為一次熱源，將軸承、螺母、導軌和切屑稱之為二次熱源。熱變形則是所有這些熱源綜合影響的結(jié)果。一臺立柱移動式立式加工中心在Y向進給運動中溫升和變形情況。Y向進給時工作臺未作運動，所以對X向的熱變形影響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越遠的點，其溫升越小。該機在Z軸移動時的情況則更進一步說明了熱源分布對熱變形的影響。Z軸進給離X向更遠，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機螺母越近，溫升及變形也越大。3）質(zhì)量分布的影響。質(zhì)量分布對機床熱變形的影響有三方面。其一，指質(zhì)量大小與集中程度，通常指改變熱容量和熱傳遞的速度，改變達到熱平衡的時間；其二，通過改變質(zhì)量的布置形式，如各種筋板的布置，提高結(jié)構(gòu)的熱剛度，在同樣溫升的情況下，減小熱變形影響或保持相對變形較??；其三，則指通過改變質(zhì)量布置的形式，如在結(jié)構(gòu)外部布置散熱筋板，以降低機床部件的溫升。4）材料性能的影響：不同的材料有不同的熱性能參數(shù)（比熱、導熱率和線膨脹系數(shù)），在同樣熱量的影響下，其溫升、變形均有不同。

二、機床熱性能的測試1、機床熱性能測試的目的控制機床熱變形的關鍵是通過熱特性測試，充分了解機床所處的環(huán)境溫度的變化，機床本身熱源及溫度變化以及關鍵點的響應（變形位移）。測試數(shù)據(jù)或曲線描述一臺機床熱特性，以便采取對策，控制熱變形，提高機床的加工精度和效率。具體地說，應達到以下幾個目的：1）機床周圍環(huán)境測試。測量車間內(nèi)的溫度環(huán)境，它的空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變化，甚至應測量季節(jié)變化對機床周圍溫度分布的影響。2）機床本身的熱特性測試。盡可能地排除環(huán)境干擾的條件下，讓機床處于各種運轉(zhuǎn)狀態(tài)，以測量機床本身的重要點位的溫度變化、位移變化，記錄在足夠長的時間段內(nèi)的溫度變化和關鍵點位移，也可用紅外線熱相儀記錄各時間段熱分布的情況。3）加工過程測試溫升熱變形，以判斷機床熱變形對加工過程精度的影響。4）上述試驗可積累大量的數(shù)據(jù)、曲線，將為機床設計和使用者控制熱變形提供可靠的判據(jù)，指出采取有效措施的方向。2、機床熱變形測試的原理熱變形測試首先需要測量若干相關點的溫度，包含以下幾方面：1）熱源：包括各部分進給電動機、主軸電動機、滾珠絲杠傳動副、導軌、主軸軸承。

2）輔助裝置：包括液壓系統(tǒng)、制冷機、冷卻和潤滑位移檢測系統(tǒng)。3）機械結(jié)構(gòu)：包括床身、底座、滑板、立柱和銑頭箱體和主軸。在主軸和回轉(zhuǎn)工作臺之間夾持有銦鋼測棒，在X、Y、Z方向配置了5個接觸式傳感器，測量在各種狀態(tài)下的綜合變形，以模擬刀具和工件間的相對位移。3、測試數(shù)據(jù)處理分析機床熱變形試驗要在一個較長的連續(xù)時間內(nèi)進行，進行連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄，經(jīng)過分析處理，所反映的熱變形特性可靠性很高。如果通過多次試驗進行誤差剔除，則所顯示的規(guī)律性是可信的。主軸系統(tǒng)熱變形試驗中共設置了5個測量點，其中點1、點2在主軸端部和靠近主軸軸承處，點4、點5分別在銑頭殼體靠近Z向?qū)к壧?。測試時間共持續(xù)了14h，其中前10h主軸轉(zhuǎn)速分別在0～9000r/min范圍內(nèi)交替變速，從第10h開始，主軸持續(xù)以9000r/min高速旋轉(zhuǎn)。可以得到以下結(jié)論：1）該主軸的熱平衡時間約1h左右，平衡后溫升變化范圍1.5℃；2）溫升主要來源于主軸軸承和主軸電動機，在正常變速范圍內(nèi)，軸承的熱態(tài)性能良好；3）熱變形在X向影響很??；4）Z向伸縮變形較大，約10m，是由主軸的熱伸長及軸承間隙增大引起的；5）當轉(zhuǎn)速持續(xù)在9000r/min時，溫升急劇上升，在2.5h內(nèi)急升7℃左右，且有繼續(xù)上升的趨勢，Y向和Z向的變形達到了29m和37m，說明該主軸在轉(zhuǎn)速為9000r/min時已不能穩(wěn)定運行，但可以短時間內(nèi)（20min）運行。

三、機床熱變形的控制由以上分析討論，機床的溫升和熱變形對加工精度的影響因素多種多樣，采取控制措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二項措施，取得事半功倍的效果。在設計中應從4個方向入手：減少發(fā)熱，降低溫升，結(jié)構(gòu)平衡，合理冷卻。1、減少發(fā)熱控制熱源是根本的措施。在設計中要采取措施有效降低熱源的發(fā)熱量。1）合理選取電動機的額定功率。電動機的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積，一般情況下，電壓V是恒定的，因此，負荷的增大，意味著電動機輸出功率增大，即相應的電流I也增大，則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若我們所設計選擇的電動機長時間在接近或大大超過額定功率的條件下工作，則電動機的溫升明顯增大。為此，對BK50型數(shù)控針槽銑床銑頭進行了對比試驗（電動機轉(zhuǎn)速：960r/min；環(huán)境溫度：12℃）。從上述試驗得到以下概念：從熱源性能考慮，無論主軸電動機還是進給電動機，選擇額定功率時，最好選比計算功率大25%左右為宜，在實際運行中，電動機的輸出功率與負荷相匹配，增大電動機額定功率對于能耗的影響很小。但可有效降低電動機溫升。2）結(jié)構(gòu)上采取適當措施，減小二次熱源的發(fā)熱量，降低溫升。例如：主軸結(jié)構(gòu)設計時，應提高前后軸承的同軸度，采用高精度軸承。在可能的條件下，將滑動導軌改為直線滾動導軌，或采用直線電動機。這些新技術(shù)都可以有效地減小摩擦、減少發(fā)熱、降低溫升。3）在工藝上，采用高速切削。基于高速切削的機理。當金屬切削的線速度高于一定范圍時，被切削金屬來不及產(chǎn)生塑性變形，切屑上不產(chǎn)生變形熱，切削能量大多數(shù)轉(zhuǎn)化為切屑動能被帶走。2、結(jié)構(gòu)平衡，以降低熱變形在機床上，熱源是永遠存在的，進一步需要關注的是如何讓熱傳遞方向和速度有利于減少熱變形?；蛘呓Y(jié)構(gòu)又有很好的對稱性，使熱傳遞經(jīng)沿對稱方向，使溫度分布均勻，變形互相抵消，成為熱親和結(jié)構(gòu)。1）預應力和熱變形。在較高速的進給系統(tǒng)中，往往采用滾珠絲杠兩端軸向固定，形成預拉伸應力。這種結(jié)構(gòu)對高速進給來說，除了提高動靜態(tài)穩(wěn)定性外，對于降低熱變形誤差具有明顯作用。在全長600mm內(nèi)預拉伸35m的軸向固定結(jié)構(gòu)在不同的進給速度下溫升比較接近。兩端固定預拉伸結(jié)構(gòu)的累積誤差明顯小于單端固定另一端自由伸長的結(jié)構(gòu)。在兩端軸向固定預拉伸結(jié)構(gòu)中，發(fā)熱引起的溫升主要是改變絲杠內(nèi)部的應力狀態(tài)由拉應力變?yōu)榱銘驂簯?。因此對位移精度影響較小。2）改變結(jié)構(gòu)，改變熱變形方向。

采用不同滾珠絲杠軸向固定結(jié)構(gòu)的數(shù)控針槽銑床Z軸主軸滑座在加工中要求銑槽深度誤差5m。采用絲杠下端軸向浮動結(jié)構(gòu)，在加工2h內(nèi)，槽深逐漸加深從0到0.045mm。反之，采用絲杠上端浮動的結(jié)構(gòu)，則能確保槽深變化。3）機床結(jié)構(gòu)幾何形狀的對稱，可令熱變形走向一致，使刀尖點的漂移盡量減小。例如，日本安田（Yasda）精密工具公司推出的YMC430微加工中心是亞微米高速加工機床，機床的設計對熱性能進行了充分的考慮。首先在機床結(jié)構(gòu)上采取完全對稱布局，立柱和橫梁是一體化結(jié)構(gòu)，呈H型，相當于雙立柱結(jié)構(gòu)，具有良好的對稱性。近似圓形的主軸滑座無論在縱向還是橫向也都是對稱的。3個移動軸的進給驅(qū)動均采用直線電動機，結(jié)構(gòu)上更加容易實現(xiàn)對稱性，2個回轉(zhuǎn)軸采用直接驅(qū)動，盡量減少機械傳動的摩擦損耗和。3、合理的冷卻措施1）加工中的冷卻液對加工精度的影響是直接的。對GRV450C型雙端面磨床進行了對比試驗。試驗表明：借助制冷機對冷卻液進行熱交換處理，對提高加工精度非常有效。使用傳統(tǒng)的冷卻液供給方式，3