溫度對數控機床加工精度有何影響？（下）

機床熱性能試驗

1數控機床熱性能試驗目的

控制數控機床熱變形的關鍵是通過熱特性試驗，充分了解機床環境溫度的變化、機床熱源和溫度的變化以及關鍵點（變形位移）的響應。試驗數據或曲線描述機床的熱特性，以便采取措施控制數控機床的熱變形，提高數控機床的加工精度和效率。

具體而言，應實現以下目標：

1） 機器環境測試

測量車間內的溫度環境及其空間溫度梯度，晝夜交替時溫度分布的變化，甚至季節變化對機床周圍溫度分布的影響。

2） 機床本身熱特性試驗

在盡可能消除環境干擾的條件下，機床處于各種工作狀態，測量數控機床重要點的溫度變化和位移變化，并記錄足夠長時間內的溫度變化和關鍵點位移。

紅外熱位相儀可以用來記錄每個時間段的熱分布。

3） 測試加工過程中的溫升熱變形，判斷機床熱變形對加工精度的影響。

4） 以上實驗可以積累大量的數據和曲線，為機床設計和用戶控制熱變形提供可靠的依據，為采取有效措施指明方向。

2.機床熱變形試驗原理

熱變形試驗首先需要測量幾個相關點的溫度，包括以下幾個方面：

1） 熱源：包括進給電機、主軸電機、滾珠絲杠傳動副、導軌、主軸軸承各部分。

2） 輔助裝置：包括液壓系統、制冷機、冷卻潤滑位移檢測系統。

3） 機械結構：包括床身、底座、滑塊、立柱、銑頭箱、主軸。一個銦鋼探針夾在主軸和轉盤之間。在X、Y、Z三個方向設置五個接觸式傳感器，測量不同狀態下的綜合變形，模擬刀具與工件之間的相對位移。

3.試驗數據的處理與分析

機床熱變形試驗應長時間連續進行，并進行連續數據記錄。經過分析處理，反射熱變形特性的可靠性可以很高。如果通過多次實驗進行誤差抑制，所給出的規律是可信的。在主軸系統的熱變形試驗中，共設置了5個測點，其中1點位于主軸末端，2點靠近主軸軸承，4點和5點分別位于銑頭殼體靠近Z向導軌處。測試時間總共持續了14個小時。前10小時主軸轉速在0～9000r/min范圍內交替變化，從第10小時開始，主軸繼續以9000r/min的高速旋轉。

可以得出以下結論：

1） 該主軸的熱平衡時間約為1h，平衡后的溫升范圍為1.5℃；

2） 溫升主要來自主軸軸承和主軸電機。在正常轉速范圍內，軸承熱性能良好；

3） 熱變形對X方向影響不大；

4） Z向伸縮變形較大，約10m，主要是主軸熱伸長和軸承間隙增大所致；

5） 當轉速保持在9000r/min時，溫度急劇上升，2.5h內上升約7℃，并有繼續上升的趨勢。主軸在Y、Z方向的變形量分別達到29m和37m，說明主軸在9000r/min轉速下已不能穩定運行，只能在較短時間（20min）內運行。

機床熱變形的控制

通過以上分析討論，機床的溫升和熱變形對加工精度有多種影響因素。在采取控制措施的時候，要抓住主要矛盾，集中在一兩項措施上，以較少的努力取得更多的效果。在設計上，我們應該從四個方向著手：

減少發熱和溫升，結構均衡，冷卻合理。

1減少熱量

控制熱源是一項根本措施。設計中必須采取措施，有效減少熱源產生的熱量。

1） 合理選擇電機額定功率

電動機的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積。一般來說，電壓V是恒定的。因此，負載的增加意味著電機的輸出功率增加，即相應的電流I也增加，并且電樞阻抗中的電流消耗的熱量增加。如果我們設計選用的電機長期工作在額定功率附近或大大超過額定功率時，電機的溫升會大大增加。為此，對BK50數控針槽銑床的銑頭進行了對比試驗（電機轉速：960r/min，環境溫度：12℃）。通過以上試驗，得出如下概念：考慮熱源的性能，無論是主軸電機還是進給電機，在選擇額定功率時，最好選擇比計算功率大25%左右。在實際運行中，電機的輸出功率與負載相匹配，提高電機的額定功率對能耗影響不大。但它能有效地降低電機的溫升。

2） 在結構上采取適當措施，減少二次熱源的發熱，降低溫升。

比如在設計主軸結構時，要提高前后軸承的同軸度，采用高精度軸承。在可能的情況下，將滑動導軌更換為直線滾動導軌，或使用直線電機。這些新技術可以有效地減少摩擦，減少熱量的產生，降低溫升。

3） 在加工過程中，采用高速切削。（基于高速切削機理）

當金屬切削線速度高于一定范圍時，被切削金屬沒有時間產生塑性變形，切屑上也沒有產生變形熱。大部分切削能量轉化為切屑動能并帶走。

2減少熱變形的結構平衡

在機床上，熱源總是存在的，如何使傳熱的方向和速度有利于減小熱變形，需要進一步關注。或者結構具有良好的對稱性，使傳熱沿對稱方向傳遞，使溫度分布均勻，變形相互抵消，形成熱親和結構。

（1） 預應力和熱變形。

在高速進給系統中，滾珠絲杠通常在兩端軸向固定以形成預緊應力。這種結構除了提高動靜態穩定性外，對減小高速進給的熱變形誤差也有重要作用。軸向固定結構在600mm的總長度內預拉伸35m，在不同的進給速度下相對接近溫升。兩端固定的預拉伸結構的累積誤差明顯小于一端固定另一端自由延伸的結構。在兩端軸向固定的預應力結構中，熱引起的溫升主要是使絲杠內部的應力狀態由拉應力變為零應力或壓應力。因此，對位移精度的影響很小。

（2） 改變結構，改變熱變形方向。

采用不同滾珠絲杠軸向固定結構的數控針槽銑床Z軸主軸滑塊，加工時要求銑槽誤差為0.05mm。螺桿下端采用軸向浮動結構。加工后2小時內，槽深由0逐漸加深至0.045mm。相反，螺桿的浮動端結構可以保證槽深的變化。

（3） 機床結構的對稱性可以使熱變形均勻，使刀尖的漂移最小。

首先，機床結構采用完全對稱的布局。柱、梁為整體結構，呈H形，相當于雙柱結構，對稱性好。近似圓形的主軸滑塊在縱向和橫向上是對稱的。三個運動軸的進給驅動采用直線電機，使結構更容易實現對稱。兩個旋轉軸采用直接驅動，以盡量減少摩擦損失和機械傳動。

3.合理的降溫措施

（1） 加工過程中冷卻液對加工精度的影響是直接的。

試驗表明，采用冰箱對冷卻液進行換熱處理，對提高加工精度是非常有效的。采用傳統的冷卻液供給方式，30分鐘后，工件尺寸將超差。使用冰箱后，可正常加工至70分鐘以上。80min時工件尺寸過大的主要原因是砂輪需要修整（去除砂輪表面的金屬屑），修整后可立即恢復原加工精度。效果非常明顯。同樣，主軸的強制冷卻也會取得很好的效果。

（ 2） 增加自然冷卻面積。

例如，在主軸箱結構上增加自然風冷面積，在空氣流通良好的車間內也能起到很好的散熱作用。

（3） 及時自動排屑。

工件、工作臺、刀具上高溫切屑的及時或實時排出，將大大降低關鍵零件的溫升和熱變形。

展望

機床熱變形控制是現代精密加工領域的一個重要課題，影響機床熱變形的因素非常復雜。此外，現代切削加工中高速、高效、高精度的結合使得機床的熱變形問題更加突出。引起了機床制造業的廣泛關注。國內外機床行業的學者對此做了大量的研究，并在理論上取得了長足的進步。機床熱變形已成為機床研究的基礎理論之一。

本文從機床設計與應用、測量與分析方法等方面分析了影響機床熱性能的因素，并提出了改進的設計措施。

因此，我們認為機床熱性能的優化設計應從以下幾個方面著手：

（1） 在現代高端數控機床的設計階段，要注意所設計機床未來應用的環境條件。

（2） 控制和配置熱源是關鍵。控制熱源主要是控制能源消耗與動力來源的匹配，采用新的結構，減少二次摩擦熱源，提高能源利用效率。

（3） 改變傳統思維，促進冷卻、散熱、潤滑、排屑等設備從機床的“輔助”部件狀態向“重要”部件狀態轉變，這是不可掉以輕心的。

（4） 注意結構的對稱性和熱變形方向的設計，盡量減少熱變形對精度的影響，特別是結構件熱變形數學模型的研究和應用，從而為熱變形控制設計提供定量指導。