數(shù)控機床精度的影響因素
發(fā)布時間：2021-07-13 11:06:24 作者：顯揚科技
機床受到車間環(huán)境溫度的變化,、電動機發(fā)熱和機械運動摩擦發(fā)熱,、切削熱以及冷卻介質(zhì)的影響，造成機床各部的溫升不均勻，導致機床形態(tài)精度及加工精度的變化,。
例如，在一臺普通精度的數(shù)控銑床上加工70mm×1650mm的螺桿,，上午700銑削的工件與下午230加工的工件相比,，累積誤差的變化可達85m。而在恒溫條件下,，則誤差可減小至40m,。
再如，一臺用于雙端面磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨床,，在驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到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,，冷卻液溫度由開機時的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響,，導致主軸軸頸伸長,，主軸前軸承間隙增大。據(jù)此,，為該機床冷卻液箱添加一臺5.5kW制冷機,，效果十分理想。
實踐證明,，機床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因,。但機床是處在溫度隨時隨處變化的環(huán)境中；機床本身在工作時必然會消耗能量,，這些能量的相當一部分會以各種方式轉(zhuǎn)化為熱,，引起機床各構(gòu)件的物理變化，這種變化又因為結(jié)構(gòu)形式的不同,，材質(zhì)的差異等原因而千差萬別,。機床設(shè)計師應掌握熱的形成機理和溫度分布規(guī)律，采取相應的措施,，使熱變形對加工精度的影響減少到最小,。
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(shè)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835,，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(shè)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(shè)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(shè)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(chǔ)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(lǐng)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數(shù)控中心，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小,；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(guān)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(guān)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(guān)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(shè)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(guān)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(shè)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壧帯y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),?？梢缘玫揭韵陆Y(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?。?br />
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(shè)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(shè)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(shè)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(shè)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,?；诟咚偾邢鞯臋C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(guān)注的是如何讓熱傳遞方向和速度有利于減少熱變形,。或者結(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(shè)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,，30min后，工件尺寸就超差,。采用制冷機后,，可以正常加工到70min以上。在80min時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原來的加工精度,。效果非常明顯。同樣,，對于主軸的強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）及時自動排屑,。
及時或?qū)崟r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,。
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