王　謙

(宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽　宿州　234000)

隨著現(xiàn)代機械制造技術(shù)的快速發(fā)展，人們對數(shù)控機床的性能要求越來越高，數(shù)控機床正向著高精度、高速度、高可靠性以及智能化、數(shù)字化、綠色環(huán)保等方向發(fā)展。然而制約數(shù)控加工精度提高的因素還有很多，其中最主要的因素便是熱變形誤差。大量研究表明，精密數(shù)控加工最大的誤差源是熱變形誤差，占總誤差的40%-70%左右，特別是近年來數(shù)控機床上高速加工的推廣和使用，隨著主軸轉(zhuǎn)速和進給速度的成倍提高，數(shù)控機床的熱變形誤差也隨之增大。因此，減小熱變形誤差是使機床加工精度獲得提升的重要手段和關(guān)鍵技術(shù)。

一、數(shù)控機床熱誤差的產(chǎn)生根源分析

機床熱誤差是指在加工過程中由溫度變化所導(dǎo)致的熱變形誤差，而溫度變化主要是由電動機運轉(zhuǎn)、傳動機構(gòu)之間的摩擦以及加工所處環(huán)境溫度等熱源引起的。機床內(nèi)部溫度場的分布變化和環(huán)境溫度的變化是造成機床產(chǎn)生熱誤差的主要原因，而造成溫度變化的根源則在于機床的熱源。機床的熱源分為外部熱源和內(nèi)部熱源，機床的熱誤差受外部熱源和內(nèi)部熱源的共同影響。外部熱源主要是環(huán)境溫度，內(nèi)部熱源主要有驅(qū)動電機、軸承、傳動件、液壓系統(tǒng)、切削熱和冷卻液等。研究表明，主軸、導(dǎo)軌等重要部件產(chǎn)生的熱對機床熱誤差的影響占的比率最大。

研究表明，數(shù)控機床熱變形誤差主要受以下因素的影響：

(一)外部熱源和內(nèi)部熱源會對熱變形誤差產(chǎn)生交互影響

內(nèi)部熱源主要有：電機運轉(zhuǎn)、機構(gòu)摩擦、切削熱、冷卻液等，外部熱源主要是環(huán)境溫度。在內(nèi)外熱源的影響中，內(nèi)部熱源的影響較大，外部熱源的影響較小，但是熱誤差受到外部熱源的影響不能略去。為了實現(xiàn)超精密加工，在精密機床上通常會采取隔熱措施，以隔絕外部熱源對機床的影響。內(nèi)部熱源和外部熱源會共同影響到機床的熱誤差。

(二)熱傳導(dǎo)對熱變形誤差產(chǎn)生的影響

機床的熱傳導(dǎo)的形式較復(fù)雜，這是由于機床結(jié)構(gòu)、零部件材料及環(huán)境等因素的影響，使得機床各零部件的熱容量和熱慣性都不同，導(dǎo)致在機床溫度的測量上表現(xiàn)出一定的時滯性。

(三)機床結(jié)構(gòu)對熱變形誤差的影響

對于機床來講，機床機構(gòu)對熱誤差的影響較大。優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)設(shè)計能使熱誤差從結(jié)構(gòu)上得到抑制。因此精密數(shù)控機床通常都會進行優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

二、減小熱變形誤差的方法

目前，對熱變形進行控制和對熱誤差進行補償是減小熱變形誤差最行之有效的兩種基本方法。

對熱變形進行控制，一般是通過提高機床制造精度、優(yōu)化機床結(jié)構(gòu)設(shè)計或者控制溫度來盡可能地消除熱誤差源。這種方法通常從兩個方面入手：機床結(jié)構(gòu)和材料改進和機床溫升控制。機床結(jié)構(gòu)和材料改進的常見措施有：機床采用對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計，以使部件均勻受熱；優(yōu)化改進傳動系統(tǒng)，降低傳動齒輪、傳動軸等的使用數(shù)量；減小摩擦發(fā)熱，在有運動摩擦的零件的選用上選擇摩擦系數(shù)低的。機床溫升控制的常見措施有：采用低能耗的主軸電機、伺服電機等，以減少熱量的產(chǎn)生；改善散熱條件，對發(fā)熱部件進行強制冷卻，增加隔熱措施；對切削區(qū)域使用高壓、大流量的冷卻系統(tǒng)等。雖然誤差預(yù)防法對減小熱誤差起著十分積極的效果，但其存在著受現(xiàn)有加工能力的限制、會造成系統(tǒng)成本的大幅度上升、無法克服外界環(huán)境干擾等缺點，而且對熱變形進行控制不能完全消除熱誤差，只能將熱誤差進行一定程度的降低，以上這些因素使得這種方法在應(yīng)用上有很大的局限性。

熱誤差補償法是通過對數(shù)控機床熱誤差的測量、分析、建模等過程總結(jié)出熱誤差的數(shù)學(xué)預(yù)測模型，根據(jù)檢測到的溫度值代入預(yù)測模型從而計算熱誤差補償值，然后將補償值實時地反饋到數(shù)控機床的伺服控制系統(tǒng)中，改變機床的實際坐標來減小機床熱誤差。熱誤差補償主要依賴于檢測技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機輔助建模技術(shù)和計算機軟件技術(shù)，隨著技術(shù)的進步，這些技術(shù)為熱誤差補償?shù)膶嵤┨峁┝藦娪辛Φ闹С?。熱誤差補償法具有補償精度高、開發(fā)成本低、適用性強等一系列優(yōu)點，是減小熱誤差的未來主要方向之一。

三、結(jié)束語

現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展對數(shù)控機床加工精度的要求越來越高，而熱誤差是加工總誤差的最大誤差源，而且越是精密機床，熱誤差占加工總誤差的比例越大。因此，對機床熱誤差的控制已經(jīng)成為提高數(shù)控機床加工精度的一門關(guān)鍵技術(shù)。在減小機床熱誤差方面雖然經(jīng)過國內(nèi)外學(xué)者多年的努力已經(jīng)取得了一定的成果，但是這項技術(shù)的提高仍然存在著較多困難，因此我們要在這方面加大投入與研究，這對于我國成為數(shù)控強國來說具有重要的實際意義和應(yīng)用價值。