盧智良,徐 明,葉 軍,康 樂(lè),朱紅敏,蔡 立

(蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司,江蘇蘇州 215011)

1 熱變形概述

機(jī)床熱變形一般是指機(jī)床自身或使用的環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)刀具相對(duì)于工作臺(tái)位移的變化。對(duì)電火花成形機(jī)床而言,一般主要考察電極相對(duì)于工作臺(tái)的位移,由于電極一般安裝在機(jī)床主軸下端的夾具上,所以也就是主軸端部的安裝電極部位相對(duì)于工作臺(tái)各軸向的位移。

在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中,零件電火花成形加工的精密度除了與電火花成形機(jī)床本身的制造精度有關(guān)外,還與機(jī)床在使用過(guò)程中的熱變形有著密切關(guān)系,人們總是期望精密機(jī)床具有較小的熱變形及較短的熱平衡時(shí)間。

然而,影響機(jī)床熱變形的因素較多,情況也較復(fù)雜。多年來(lái)人們一直積極探索電加工機(jī)床的熱變形,努力尋找著熱變形的內(nèi)在規(guī)律及解決方法。

在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”中5軸軸聯(lián)動(dòng)精密數(shù)控電火花成形加工機(jī)床的研發(fā)過(guò)程中,我們開(kāi)展了這方面的研究,以探究精密數(shù)控電火花機(jī)床熱變形的一些規(guī)律。

2 熱變形檢測(cè)平臺(tái)的建立

為分析電加工機(jī)床熱變形的主要影響因素,根據(jù)項(xiàng)目的要求,建立了電加工機(jī)床熱變形測(cè)試平臺(tái)。

該平臺(tái)由檢測(cè)系統(tǒng)及試驗(yàn)機(jī)床組成。檢測(cè)系統(tǒng)是由5～6個(gè)位移傳感器、10～12個(gè)溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集模塊等組成的一套溫度及位移數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)可瞬時(shí)多路自動(dòng)采集并保存相關(guān)位移及各發(fā)熱源等特征點(diǎn)的溫度,可進(jìn)行離線分析。試驗(yàn)機(jī)床為一臺(tái)牛頭式D7140 3軸數(shù)控電火花成形機(jī)床。傳感器的固定連接采用大理石、銦鋼等低熱膨脹系數(shù)的材料制成,其中銦鋼的熱膨脹系數(shù)為0.9×10-6K-1,為鋼的1/13,因此電加工機(jī)床熱變形檢測(cè)系統(tǒng)自身的熱變形極小,可忽略不計(jì)。

電火花成形機(jī)床的位移傳感器按圖1所示安裝。

圖1 機(jī)床熱變形示意圖

數(shù)控電火花成形機(jī)床的熱源主要有驅(qū)動(dòng)電機(jī)(X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī))、加工時(shí)放電產(chǎn)生的熱量以及環(huán)境溫度的變化。因此,設(shè)置5個(gè)溫度傳感器,分別測(cè)量各驅(qū)動(dòng)電機(jī)、工作液及環(huán)境的溫度。圖2為測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖2 熱變形測(cè)試

3 熱變形試驗(yàn)過(guò)程

(1)機(jī)床不通電時(shí),測(cè)量環(huán)境溫度變化引起的主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向的位移(表1)。

表1 環(huán)境溫度變化引起的熱位移

(2)機(jī)床處于模擬加工狀態(tài),即各電機(jī)均得電狀態(tài),工作液泵開(kāi)啟。額定加工電流50 A的電火花成形機(jī)床的總輸入功率約為6 kW,假設(shè)用于放電的能量約為輸入功率的1/4,即1.5 kW。因此在工作液槽中放置功率為1.5 kW的熱電偶,通過(guò)電加熱給工作液加溫,工作液處于循環(huán)狀態(tài),經(jīng)過(guò)6.5 h機(jī)床達(dá)到熱平衡。

工作液溫度變化引起的主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向的位移列于表2。

表2 工作液溫度變化引起的熱位移

(3)機(jī)床處于模擬加工狀態(tài)時(shí),各交流伺服電機(jī)(X軸電機(jī)、Y軸電機(jī)、Z軸電機(jī))均處于得電狀態(tài),其溫升均小于2℃。上述試驗(yàn)中包含了各交流伺服電機(jī)溫升引起的熱位移變化。為了尋找出各交流伺服電機(jī)溫升帶來(lái)的熱位移,利用熱電偶分別對(duì)X軸伺服電機(jī)、Y軸伺服電機(jī)、Z軸伺服電機(jī)外部進(jìn)行加熱,以模擬電機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行所引起的發(fā)熱,同時(shí)測(cè)量主軸端部相對(duì)于工作臺(tái)各軸向線位移的變化。

a.對(duì)X軸伺服電機(jī)加熱后,主軸端部相對(duì)于工作臺(tái)各軸向的線位移見(jiàn)表3。

表3 X軸電機(jī)溫度變化引起的熱位移

b.對(duì)Y軸伺服電機(jī)加熱后,主軸端部相對(duì)于工作臺(tái)各軸向的線位移表4。

c.對(duì)Z軸伺服電機(jī)加熱后,主軸端部相對(duì)于工作臺(tái)各軸向的線位移見(jiàn)表5。

4 電火花成形機(jī)床熱變形的分析

(1)環(huán)境溫度(空氣溫度)變化時(shí)對(duì)機(jī)床產(chǎn)生的影響。從上述實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中可看出,環(huán)境溫度升高8℃,X向位移變化約0.010mm,Y向位移變化約0.008mm,Z向位移變化約0.011mm。圖3為環(huán)境溫度變化對(duì)主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向線位移的影響曲線。

表4 Y軸電機(jī)溫度變化引起的熱位移

表5 Z軸電機(jī)溫度變化引起的熱位移

圖3 環(huán)境溫度變化對(duì)熱位移的影響

(2)機(jī)床處于加工狀態(tài)(即機(jī)床處于中大規(guī)準(zhǔn)電流放電)時(shí),由于加工區(qū)產(chǎn)生大量熱量,使工作液溫度升高約17℃,此時(shí)X向熱位移為-0.058mm;Y向熱位移為-0.146mm;Z向熱位移為-0.057mm。圖4為工作液溫度變化對(duì)主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向線位移的影響曲線。

(3)由于交流伺服電機(jī)產(chǎn)生較小的熱量,因此伺服電機(jī)的溫升均小于2℃。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),伺服電機(jī)溫度升高13℃,產(chǎn)生的熱位移為0.005mm;伺服電機(jī)溫度升高2℃,產(chǎn)生的熱位移＜0.001mm。因此交流伺服電機(jī)的溫升對(duì)熱變形的影響較小。圖5為X軸電機(jī)溫度對(duì)主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向線位移的影響曲線。

5 結(jié)論及對(duì)策

根據(jù)上述分析,初步得出以下結(jié)論:

(1)機(jī)床加工時(shí),工作液的溫升對(duì)機(jī)床的熱變形(即主軸端部相對(duì)工作臺(tái)各軸向的熱變形)影響最大。

(2)機(jī)床使用時(shí)環(huán)境溫度的變化對(duì)機(jī)床熱變形的影響次之。環(huán)境溫度變化8℃時(shí),對(duì)機(jī)床的影響為0.01mm。

(3)交流伺服電機(jī)的溫升對(duì)機(jī)床熱變形的影響最小。如果電機(jī)的溫升小于2℃時(shí),對(duì)機(jī)床的影響為0.001mm。

針對(duì)上述結(jié)論,采取如下對(duì)策可有效減小電火花成形機(jī)床的熱變形:

(1)利用工作液溫度控制技術(shù),保持工作液溫度基本恒定。

(2)在恒溫環(huán)境下使用數(shù)控精密電火花成形機(jī)床。

(3)在機(jī)床設(shè)計(jì)上采取措施,進(jìn)一步減少主軸端部相對(duì)于工作臺(tái)面的熱變形。

(4)在機(jī)床的關(guān)鍵部位(熱敏感點(diǎn))設(shè)置熱傳感器。根據(jù)熱變形檢測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)機(jī)床熱變形進(jìn)行在線數(shù)字化補(bǔ)償。

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