郭婷

摘要：數控機床具有非常高的加工精度與加工效率，是機械制造行業(yè)不可或缺的重要設施。數控機床在運行過程中，主軸位置會產生大量的熱量，導致數控機床加工精度降低，為此，必須要盡可能消除主軸熱誤差。主軸熱能主要來源于外部環(huán)境以及機床本身熱能，其中電動機發(fā)熱與軸承發(fā)熱產生的熱能難以有效去除，需要分析發(fā)熱緣由并計算熱量大小。為了有效控制主軸熱誤差，可以從改進結構并增強溫度控制水平、額外增加熱源與自身熱能相平衡、構建熱誤差-溫升模型三個方面進行。

關鍵詞：數控機床;主軸;熱誤差

0 ?引言

制造業(yè)在我國經濟體系中占據了相當大的分量，每年國內生產總值中有大約4成是制造業(yè)貢獻的。由此可見，制造業(yè)在促進社會經濟穩(wěn)定發(fā)展中發(fā)揮了巨大的作用，必須要采取多種措施推動制造業(yè)不斷發(fā)展，目前我國制造業(yè)逐步朝向信息化、自動化、智能化方向發(fā)展，加工效率、加工精度等實現了較大增長。數控加工是現代制造業(yè)中及其重要的一部分，相比較與傳統加工方式，數控加工具有更大的優(yōu)勢，不僅加工精度高、加工速度快，同時也能夠滿足各種復雜、非標的零部件加工需求，引領現代制造業(yè)向精密加工方向前進。數控機床加工過程中，會受到自身以及外界環(huán)境因素的影響，導致加工精度降低，影響機械加工品質，為了提高數控機床加工效果，必須要降低各種不良因素對數控加工的影響。為此，本文對數控機床主軸熱量產生的原因與發(fā)熱量進行了計算，并提出了降低主軸熱誤差的優(yōu)化策略。

1 ?數控機床主軸熱誤差產生原因與發(fā)熱量計算

數控機床在運行過程中，主軸位置會產生較大的熱量，一般來說熱量主要來自于兩個方面，分別是外部環(huán)境產生的熱量以及機床本身產生的熱量[1]。其中，外部環(huán)境熱量通常是自然環(huán)境中的熱量以及太陽輻射產生的熱量，而機床本身產生的熱量通常是電能與動能轉化產生的熱能、切削加工以及摩擦產生的熱能等。為了降低外部熱量對數控機床運行的影響，可以通過控制外界環(huán)境溫度來實現，保證加工車間處于恒定的溫度值;而機床本身產生的熱能中，切削工件以及碎屑會帶走一部分熱量，必須要控制余下的熱量對機床運行的影響，可以通過增加冷卻液的方式降低切削熱量，保障數控機床穩(wěn)定運行。除了上述熱能產生位置外，電動機在運行過程中會使一部分動能轉化為熱能、各個相對運動部件之間也會產生較多的摩擦熱量，這兩個熱量成為了影響數控機床溫度控制的主要問題[2]。

1.1 電動機發(fā)熱緣由與計算

要想進一步提高數控機床加工精度，并保證加工過程的穩(wěn)定性，必須要控制數控機床主軸溫度，降低熱誤差對加工品質的影響。要想精確分析數控機床主軸溫度對加工精度的影響，必須要明確主軸電動機的額定功率。在本研究中選取電動機額定功率為30kW，結合線性內插法可以得知，效率峰值ηmax=0.91。要想獲得更加精準的效率數值，還必須要借用兩個無量綱效率系數，即ηs與η1，系數值所屬區(qū)域為[0，1]。數控機床主軸在實際運行過程中，電動機產生的熱量受到實際轉速、負載大小的影響，計算公式如下[3]：

上述公式中，Qm表示為電動機運行過程中產生的實際熱量值，p表示為電動機旋轉磁場極對數，n表示為數控機床主軸旋轉速度。

1.2 軸承發(fā)熱緣由與計算

數控機床主軸旋轉是通過軸承旋轉實現的，在高速運轉過程中，軸承會產生大量的熱能。軸承自身包含了內圈、外圈、滾動體、支撐環(huán)以及擋墊等部件，在運動過程中，軸承內圈與外圈產生高速相對運動，而內圈與外圈之間的各個部件會產生較大的阻抗，由此產生摩擦。通常來說，軸承內部摩擦主要包含了以下幾個種類，分別是純滾動摩擦、小幅滑動摩擦、大幅滑動摩擦以及滑動摩擦[5]。其中純滾動摩擦主要出現在滾動體與內外圈之間;小幅滑動摩擦主要是由于內外圈旋轉速度高于滾動體速度，使得滾動體與內外圈之間產生小幅滑動;大幅滑動摩擦主要體現在滾動體與保持架之間、滾動體與擋墊端面;滑動摩擦主要體現在密封部件之間。

軸承在旋轉過程中，當摩擦力矩越大、旋轉速度越高，則在單位時間內產生的熱量也就越多，反之則產生的熱量越少，軸承的實際發(fā)熱量可以用以下公式表示：

上述公式中，Qb表示為軸承運動中實際發(fā)熱量，M表示為軸承摩擦力矩。

相同的軸承，摩擦力矩也不是恒定不變的。伴隨著現代科學技術水平的不斷提升，軸承的型號、用途、承載以及額定轉速等都出現了較大的改變，同時軸承在長時間運行過程中，摩擦力矩也展現出來了多樣化的特征，由此可見，要想精準計算出摩擦扭矩的實際數值具有非常大的難度，在實際計算過程中，只能通過理想方式計算出最為接近的摩擦扭矩數值。通過大量的實驗經驗總結，可以將摩擦扭矩求解方式進行簡化，這種方式是將摩擦力表現為承載以及速度兩個方面，兩方面結合起來就是力矩，其表達公式如下：

M=M1+MV

2 ?數控機床主軸熱誤差優(yōu)化策略

2.1 主軸熱誤差識別

為了更好的消除主軸熱誤差對數控機床加工品質的影響，必須要能夠正確識別主軸熱誤差。通常情況下，誤差識別的方法涵蓋了以下兩種類型，分別是對機床周圍空間進行直接量取以及誤差合成方法[6]。

具體來說，第一種方法是通過專用儀器對數控機床主軸附近不同位置的溫度進行直接測量，并同步獲取對應溫度下的主軸誤差數值，選用的測量設施有激光干涉儀、溫度儀等，采用設備分別測量同一時間下刀具切削面與加工件表面的溫度，從而得到兩者的熱誤差。采用這種方法能夠得到較為精準的結果，并且測量工作非常簡單、容易操作。

第二種方法是將數控機床主軸分割為多個構件，然后對每一個構件的變形程度進行實時監(jiān)測，得到各個構件的熱誤差，之后再將所有構件的熱誤差進行整合，最終得到總的熱誤差。

2.2 主軸熱誤差改進方法

主軸熱誤差會降低數控機床加工品質，必須要采取有效措施防范主軸熱誤差產生，通常來說可以通過以下三種途徑進行控制[7]：

第一，改進結構并增強溫度控制水平。

這種方法是對數控機床總體結構進行改進，逐步改善機床本身的熱傳導能力，使得自身達到最優(yōu)的熱對稱布局。為此，可以改變電主機固定方式與區(qū)域，盡可能的遠離電源。在保證數控機床加工水平與功能的前提下，在主軸線前端部位增加散熱裝置，避免機床內部熱量散入到主軸箱內。在主軸箱前端面設置變速箱以及傳動箱，同時在相互連接的部件之間增加循環(huán)冷卻裝置。在主軸箱各個側面設置大功率風扇，確保主軸箱內產生的熱量能夠迅速散發(fā)出去，從而降低熱誤差。最后，也要提高冷卻設備的工作水平，結合并聯冷卻方法，進一步強化冷卻能力。

第二，額外增加熱源與自身熱能相平衡。

這種方法是在深入研究和理解熱平衡原理基礎上進行的，具體操作是在主軸箱與變速箱連接位置設置瞬態(tài)電源，盡管這種方法無法有效避免主軸箱出現變形，但是可以很好的防止刀具端面出現變形，有助于改善數控機床切削精度。

第三，構建熱誤差-溫升模型，通過觀察圖標中曲線的走勢，得到各個位置的熱變形特征，制定科學合理的熱誤差補償方法，有目的性的進行補償控制測量，降低主軸熱誤差，從而改善數控機床加工質量。

3 ?結語

目前，我國機械制造行業(yè)正在朝向高智能、高精度方向發(fā)展，數控機床作為機械制造領域重要的加工設備，必須要不斷改善自身的加工品質，科學、有效控制機床運行中產生的熱量，降低熱量對主軸工作的影響，不斷提高數控機床加工精度，促進機械制造行業(yè)進一步發(fā)展。

參考文獻：

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[3]要小鵬，殷國富，李光明.基于OE-CM算法的機床主軸熱誤差建模與補償分析[J].中國機械工程，2015，26（20）：2757-2762.

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