時(shí)間溫差及加工溫差影響機(jī)床精度 - 加工中心
時(shí)間溫差及加工溫差影響機(jī)床精度 熱變形是影響加工精度的原因之一 機(jī)床受到車間環(huán)境溫度的變化,、電動機(jī)發(fā)熱和機(jī)械運(yùn)動摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質(zhì)的影響,，造成機(jī)床各部的溫升不均勻,，導(dǎo)致機(jī)床形態(tài)精度及加工精度的變化?！ ±?，在一臺普通精度的精工銑床上加工70mm×1650mm的螺桿，上午7:30-9:00銑削的工件與下午2:00-3:30加工的工件相比,，累積誤差的變化可達(dá)85m,。而在恒溫條件下，則誤差可減小至40m,?！ ≡偃纾慌_用于雙端面磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨床,，在驗(yàn)收時(shí)加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達(dá)到mm的尺寸精度,，彎曲度在全長內(nèi)小于5m。但連續(xù)自動磨削1h后,，尺寸變化范圍增大到12m,，冷卻液溫度由開機(jī)時(shí)的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響,，導(dǎo)致主軸軸頸伸長,，主軸前軸承間隙增大。據(jù)此,，為該機(jī)床冷卻液箱添加一臺5.5kW制冷機(jī),，效果十分理想?！ ?shí)踐證明,，機(jī)床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因。但機(jī)床是處在溫度隨時(shí)隨處變化的環(huán)境中,；機(jī)床本身在工作時(shí)必然會消耗能量,，這些能量的相當(dāng)一部分會以各種方式轉(zhuǎn)化為熱，引起機(jī)床各構(gòu)件的物理變化,，這種變化又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的不同，材質(zhì)的差異等原因而千差萬別,。機(jī)床設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握熱的形成機(jī)理和溫度分布規(guī)律,，采取相應(yīng)的措施,，使熱變形對加工精度的影響減少到最小,?！C(jī)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(yù)的方式和程度也不同,，機(jī)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(jī)加工車間一般冬天無供熱,，夏天無空調(diào),，但只要車間通風(fēng)較好，機(jī)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(dá)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(jī)加工車間的設(shè)計(jì)有供暖,，空氣流通不足,。車間內(nèi)外溫差可達(dá)50℃,。因此車間內(nèi)冬季的溫度梯度十分復(fù)雜,，測量時(shí)室外溫度1.5℃，時(shí)間為上午8:15-8:35,，車間內(nèi)溫度變化約3.5℃,。精密機(jī)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?！ ?.周圍環(huán)境的影響 機(jī)床周圍環(huán)境是指機(jī)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(gè)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(dāng)晝夜交替或氣候以及通風(fēng)變化時(shí)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(shè)備和大功率照明燈的輻射等,，它們離機(jī)床較近時(shí)可直接長時(shí)間影響機(jī)床整體或部分部件的溫升。相鄰設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影響機(jī)床溫升,。 （3）散熱：地基有較好的散熱作用,，尤其是精密機(jī)床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏時(shí),，可能成為一個(gè)難以找到原因的熱源,；敞開的車間將是一個(gè)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(shè)施對精密機(jī)床保持精度和加工精度是很有效果的,，但能耗較大,。 3.機(jī)床內(nèi)部熱影響因素 （1）機(jī)床結(jié)構(gòu)性熱源,。電動機(jī)發(fā)熱如主軸電動機(jī),、進(jìn)給伺服電動機(jī)、冷卻潤滑泵電動機(jī),、電控箱等均可產(chǎn)生熱量,。這些情況對電動機(jī)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(yīng)采取措施予以隔離。當(dāng)輸入電能驅(qū)動電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),，除了有少部分（約20%左右）轉(zhuǎn)化為電動機(jī)熱能外,，大部分將由運(yùn)動機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為動能，如主軸旋轉(zhuǎn),、工作臺運(yùn)動等；但不可避免的仍有相當(dāng)部分在運(yùn)動過程中轉(zhuǎn)化為摩擦發(fā)熱,，例如軸承,、導(dǎo)軌,、滾珠絲杠和傳動箱等機(jī)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(dāng)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(dǎo)給機(jī)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(jī)床溫度升高的反向措施,，如電動機(jī)冷卻,、主軸部件冷卻以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件冷卻等,。高端機(jī)床往往對電控箱配制冷機(jī),，予以強(qiáng)迫冷卻,。 4.機(jī)床的結(jié)構(gòu)形態(tài)對溫升的影響 在機(jī)床熱變形領(lǐng)域討論機(jī)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(jī)床的溫度分布,、熱量的傳導(dǎo)方向,、熱變形方向及匹配等,。 （1）機(jī)床的結(jié)構(gòu)形態(tài),。在總體結(jié)構(gòu)方面,，機(jī)床有立式,、臥式,、龍門式和懸臂式等,，對于熱的響應(yīng)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(dá)35℃,，使主軸端上抬,，熱平衡時(shí)間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心,，機(jī)床有一個(gè)穩(wěn)定的底座。明顯提高了整機(jī)剛度,，主軸采用伺服電動機(jī)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(jī)床上通常認(rèn)為熱源是指電動機(jī),。如主軸電動機(jī),、進(jìn)給電動機(jī)和液壓系統(tǒng)等，其實(shí)是不完全的,。電動機(jī)的發(fā)熱只是在承擔(dān)負(fù)荷時(shí)，電流消耗在電樞阻抗上的能量,，另有相當(dāng)一部分能量消耗于軸承,、絲杠螺母和導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的摩擦功引起的發(fā)熱。所以可把電動機(jī)稱為一次熱源,，將軸承,、螺母,、導(dǎo)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(jìn)給運(yùn)動中溫升和變形情況。Y向進(jìn)給時(shí)工作臺未作運(yùn)動,，所以對X向的熱變形影響很小,。在立柱上，離Y軸的導(dǎo)軌絲杠越遠(yuǎn)的點(diǎn),，其溫升越小,。 該機(jī)在Z軸移動時(shí)的情況則更進(jìn)一步說明了熱源分布對熱變形的影響,。Z軸進(jìn)給離X向更遠(yuǎn),，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機(jī)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(jī)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(dá)到熱平衡的時(shí)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(jī)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(dǎo)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,。 機(jī)床熱性能的測試 1.機(jī)床熱性能測試的目的 控制機(jī)床熱變形的關(guān)鍵是通過熱特性測試,，充分了解機(jī)床所處的環(huán)境溫度的變化,，機(jī)床本身熱源及溫度變化以及關(guān)鍵點(diǎn)的響應(yīng)（變形位移）。測試數(shù)據(jù)或曲線描述一臺機(jī)床熱特性,，以便采取對策，控制熱變形,，提高機(jī)床的加工精度和效率,。具體地說,，應(yīng)達(dá)到以下幾個(gè)目的：（1）機(jī)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(yīng)測量季節(jié)變化對機(jī)床周圍溫度分布的影響,。 （2）機(jī)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(jī)床處于各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，以測量機(jī)床本身的重要點(diǎn)位的溫度變化、位移變化,，記錄在足夠長的時(shí)間段內(nèi)的溫度變化和關(guān)鍵點(diǎn)位移,，也可用紅外線熱相儀記錄各時(shí)間段熱分布的情況。（3）加工過程測試溫升熱變形,，以判斷機(jī)床熱變形對加工過程精度的影響。 （4）上述試驗(yàn)可積累大量的數(shù)據(jù),、曲線，將為機(jī)床設(shè)計(jì)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(jī)床熱變形測試的原理 熱變形測試首先需要測量若干相關(guān)點(diǎn)的溫度，包含以下幾方面： ?。?）熱源：包括各部分進(jìn)給電動機(jī)、主軸電動機(jī),、滾珠絲杠傳動副,、導(dǎo)軌,、主軸軸承。 （2）輔助裝置：包括液壓系統(tǒng),、制冷機(jī),、冷卻和潤滑位移檢測系統(tǒng),。 （3）機(jī)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(gè)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(jī)床熱變形試驗(yàn)要在一個(gè)較長的連續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，進(jìn)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(yàn)進(jìn)行誤差剔除，則所顯示的規(guī)律性是可信的,?！≈鬏S系統(tǒng)熱變形試驗(yàn)中共設(shè)置了5個(gè)測量點(diǎn)，其中點(diǎn)1,、點(diǎn)2在主軸端部和靠近主軸軸承處,，點(diǎn)4、點(diǎn)5分別在銑頭殼體靠近Z向?qū)к壧?。測試時(shí)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： ?。?）該主軸的熱平衡時(shí)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(jī),，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(dāng)轉(zhuǎn)速持續(xù)在9000r/min時(shí)，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(dá)到了29m和37m,，說明該主軸在轉(zhuǎn)速為9000r/min時(shí)已不能穩(wěn)定運(yùn)行,，但可以短時(shí)間內(nèi)（20min）運(yùn)行。 機(jī)床熱變形的控制 由以上分析討論,，機(jī)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(shí)，應(yīng)抓住主要矛盾,，重點(diǎn)采取一,、二項(xiàng)措施，取得事半功倍的效果,。在設(shè)計(jì)中應(yīng)從4個(gè)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(shè)計(jì)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(jī)的額定功率,。電動機(jī)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(fù)荷的增大,，意味著電動機(jī)輸出功率增大,，即相應(yīng)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(shè)計(jì)選擇的電動機(jī)長時(shí)間在接近或大大超過額定功率的條件下工作,，則電動機(jī)的溫升明顯增大。為此,，對BK50型精工針槽銑床銑頭進(jìn)行了對比試驗(yàn)（電動機(jī)轉(zhuǎn)速：960r/min,；環(huán)境溫度：12℃）。從上述試驗(yàn)得到以下概念：從熱源性能考慮,，無論主軸電動機(jī)還是進(jìn)給電動機(jī),，選擇額定功率時(shí)，最好選比計(jì)算功率大25%左右為宜,，在實(shí)際運(yùn)行中,，電動機(jī)的輸出功率與負(fù)荷相匹配，增大電動機(jī)額定功率對于能耗的影響很小,。但可有效降低電動機(jī)溫升,。（2）結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)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(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)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(dǎo)軌改為直線滾動導(dǎo)軌,，或采用直線電動機(jī),。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,。金屬加工微信，內(nèi)容不錯(cuò)，值得關(guān)注?。?）在工藝上,，采用高速切削?；诟咚偾邢鞯臋C(jī)理,。當(dāng)金屬切削的線速度高于一定范圍時(shí)，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(jī)床上,，熱源是永遠(yuǎn)存在的，進(jìn)一步需要關(guān)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(yù)應(yīng)力和熱變形,。在較高速的進(jìn)給系統(tǒng)中，往往采用滾珠絲杠兩端軸向固定,，形成預(yù)拉伸應(yīng)力,。這種結(jié)構(gòu)對高速進(jìn)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(yù)拉伸35m的軸向固定結(jié)構(gòu)在不同的進(jìn)給速度下溫升比較接近。兩端固定預(yù)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(yù)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(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)榱銘?yīng)力或壓應(yīng)力。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)的精工針槽銑床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(jī)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(diǎn)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(jī)床,，機(jī)床的設(shè)計(jì)對熱性能進(jìn)行了充分的考慮。首先在機(jī)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(dāng)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(gè)移動軸的進(jìn)給驅(qū)動均采用直線電動機(jī),，結(jié)構(gòu)上更加容易實(shí)現(xiàn)對稱性，2個(gè)回轉(zhuǎn)軸采用直接驅(qū)動,，盡量減少機(jī)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(jìn)行了對比試驗(yàn),。試驗(yàn)表明：借助制冷機(jī)對冷卻液進(jìn)行熱交換處理，對提高加工精度非常有效,?！∈褂脗鹘y(tǒng)的冷卻液供給方式，30min后,，工件尺寸就超差,。采用制冷機(jī)后，可以正常加工到70min以上,。在80min時(shí)工件尺寸超差的主要原因是砂輪需修整（去除砂輪面上的金屬屑）,，修整后馬上即可回復(fù)原來的加工精度。效果非常明顯,。同樣,，對于主軸的強(qiáng)迫冷卻也能期望得到非常好的效果。（2）增加自然冷卻面積,。例如在主軸箱體結(jié)構(gòu)上添加自然風(fēng)冷卻面積,，在空氣流通較好的車間內(nèi)，也能起到很好的散熱效果,。（3）及時(shí)自動排屑,。及時(shí)或?qū)崟r(shí)將高溫切屑排出工件,、工作臺及刀具部分，將十分有利于減少關(guān)鍵部分的溫升和熱變形,。 展望與愿景 控制機(jī)床熱變形是現(xiàn)代精密加工領(lǐng)域的一個(gè)重要課題,，影響機(jī)床熱變形的因素又是非常復(fù)雜的。再者,，現(xiàn)代切削加工中的高速,、高效、精密三者并舉,，則令機(jī)床的熱變形問題更顯突出,。引起了機(jī)床制造界的廣泛重視。國內(nèi)外機(jī)床界學(xué)者為此作了大量的研究,，在理論上取得了相當(dāng)?shù)倪M(jìn)展,。機(jī)床熱變形問題已成為機(jī)床研究中的基本理論之一。本文從機(jī)床設(shè)計(jì)和應(yīng)用的角度分析了機(jī)床熱性能的影響因素,，測量與分析方法并提出了改進(jìn)設(shè)計(jì)措施,。由此，我們認(rèn)為機(jī)床熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從以下方面著手： （1）現(xiàn)代高端機(jī)床的設(shè)計(jì)階段,，就應(yīng)重視所設(shè)計(jì)機(jī)床未來應(yīng)用的環(huán)境條件,。 （2）控制和配置熱源是關(guān)鍵?？刂茻嵩粗饕侵缚刂颇芎呐c動力源的匹配,，采用新型結(jié)構(gòu)，減少二次摩擦熱源,，提高能源的利用率,。 ?。?）改變傳統(tǒng)思維,，把冷卻、散熱,、潤滑,、排屑等裝置從機(jī)床的“輔助”部件地位，提升到“重要”部件地位,，不能輕視,。（4）重視結(jié)構(gòu)的對稱性和熱變形的方向的設(shè)計(jì)，讓熱變形對精度的影響減少到最小,，尤其要重視對結(jié)構(gòu)件熱變形數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用,，以便為熱變形控制設(shè)計(jì)提供定性定量的指示。 2016-06-10 機(jī)工機(jī)床世界