馬鵬霄 石永珊 王聰偉

摘 要：近年來，隨著我國數(shù)控機(jī)床加工制造的不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的加工精度得到了很大的提高，但是在可靠性，精度維護(hù)和耐熱性方面還需要提高。本文對數(shù)控機(jī)床的熱設(shè)計技術(shù)進(jìn)行細(xì)致分析，包括熱鏡系統(tǒng)的整體設(shè)計，冷卻和散熱方法的設(shè)計以及電氣系統(tǒng)的熱變形補(bǔ)償，以確保數(shù)控機(jī)床的耐熱性，進(jìn)一步提高了機(jī)床的加工精度。

關(guān)鍵詞：機(jī)床熱設(shè)計;熱鏡像結(jié)構(gòu)設(shè)計;機(jī)床冷卻

耐熱性是影響數(shù)控機(jī)床精度的主要條件。當(dāng)許多數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)和加工高精度零件時，機(jī)械設(shè)備本身無法滿足熱穩(wěn)定性法規(guī)，它們受生產(chǎn)車間溫度變化，主軸軸承熱旋轉(zhuǎn)，滑軌摩擦熱和電機(jī)除熱等因素的影響。連續(xù)不規(guī)則地偏移程序流程的預(yù)設(shè)坐標(biāo)點(diǎn)，導(dǎo)致產(chǎn)品工件的生產(chǎn)和加工質(zhì)量下降甚至損壞。本文重點(diǎn)分析了數(shù)控機(jī)床的熱設(shè)計技術(shù)，包括熱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)中使用的熱補(bǔ)償方法的設(shè)計方案等，以進(jìn)一步提高數(shù)控機(jī)床的加工精度，以確保數(shù)控機(jī)床的耐熱性。

一、機(jī)床熱設(shè)計技術(shù)

金屬復(fù)合材料具有熱膨脹和冷收縮的特性。溫度每變化1℃，鋼的長度就變化11.7μm/ m。在減少數(shù)控機(jī)床熱偏差的設(shè)計中，從源頭上改善數(shù)控機(jī)床的熱特性非常重要。數(shù)控機(jī)床開始運(yùn)行后，零件的溫度緩慢升高，規(guī)格隨溫度變化而變化時，數(shù)控機(jī)床的加工精度不穩(wěn)定。當(dāng)零件的熱值和熱容量達(dá)到平衡時，數(shù)控機(jī)床的精度將保持穩(wěn)定。但是，由于設(shè)計方案和制造水平的原因，某些數(shù)控機(jī)床無法實(shí)現(xiàn)熱循環(huán)，這導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床無法始終實(shí)現(xiàn)平滑的加工精度。

二、采用熱鏡像結(jié)構(gòu)

在整個操作過程中，數(shù)控機(jī)床不可避免地會變熱。有必要確保熱變形是規(guī)律的和可操縱的，并且熱變形符合預(yù)測的發(fā)展趨勢，為后續(xù)的電路系統(tǒng)熱補(bǔ)償?shù)於ɑA(chǔ)。熱鏡系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是典型的接受熱量和操縱熱量的結(jié)構(gòu)。熱鏡系統(tǒng)為完善的數(shù)控機(jī)床的主要工程追求全面的鏡系統(tǒng)。它包括加工廠的標(biāo)準(zhǔn)橫截面，并徹底開發(fā)了數(shù)控機(jī)床的基本零件和熱原。數(shù)控機(jī)床的熱鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示?；静考采?，立桿，主軸軸承箱和工作臺都是相對標(biāo)準(zhǔn)橫截面的鏡系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且刀架電機(jī)X1，X2，Y1，Y2和Z1是主要的發(fā)熱體，它們也布置在相對標(biāo)準(zhǔn)橫截面的鏡面系統(tǒng)中。特別是進(jìn)給電機(jī)X1和X2的布局，具有相同結(jié)構(gòu)的電機(jī)布置在同一進(jìn)給滾珠絲杠的兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床結(jié)構(gòu)與熱源的完全鏡像，結(jié)構(gòu)較為先進(jìn)。利用熱鏡像結(jié)構(gòu)，熱源影響機(jī)床發(fā)生形變后加工點(diǎn)依舊處于鏡像基準(zhǔn)的截面之中，機(jī)床精度變化受熱變形的影響較小。

三、采用適當(dāng)?shù)臋C(jī)床冷卻方式

（一）主軸冷卻

主軸軸承是數(shù)控機(jī)床的核心部件。由于主軸軸承最靠近鉆孔點(diǎn)，因此其精度變化對加工精度的影響更大。在主軸軸承高速運(yùn)行的整個過程中，熱原的關(guān)鍵來源是機(jī)床主軸軸承的滾動摩擦。熱量會使?jié)L動軸承變形，從而損害主軸軸承的精度并縮短滾動軸承的使用壽命。數(shù)控機(jī)床的一般簡單冷卻方法是對機(jī)床主軸軸承的第二回路進(jìn)行冷卻。由于第二回路不旋轉(zhuǎn)，因此結(jié)構(gòu)相對簡單，但是實(shí)際的冷卻效果并不理想。數(shù)控機(jī)床的適當(dāng)冷卻方法應(yīng)基于主軸軸承本身，以便在滾動軸承的內(nèi)圈上進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)制冷，以使主軸軸承和滾動軸承的內(nèi)圈不會膨脹，滾動軸承保持穩(wěn)定的預(yù)應(yīng)力，并有效潤滑滾動軸承，以減少摩擦和熱量的產(chǎn)生，并保持主軸軸承溫度的穩(wěn)定性。但是，由于滾動軸承內(nèi)圈的制冷結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此在中國的數(shù)控機(jī)床中很少使用。除了制冷滾動軸承外，還應(yīng)特別注意主軸軸承箱的設(shè)計，主軸箱必須具有足夠的熱彎曲剛度和優(yōu)良的散熱結(jié)構(gòu)。

（二）機(jī)床基礎(chǔ)零件及加工環(huán)境的冷卻

在數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)部件中設(shè)計循環(huán)系統(tǒng)，連接制冷材料，溫控裝置促進(jìn)制冷材料對數(shù)控機(jī)床本身進(jìn)行循環(huán)系統(tǒng)冷卻，使基礎(chǔ)部件的溫度穩(wěn)定，并提高了數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域的絕緣材料的生產(chǎn)。熱循環(huán)保護(hù)罩可以阻止外部工作溫度變化對數(shù)控機(jī)床的危害。熱循環(huán)保護(hù)蓋使數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)和加工的自然環(huán)境產(chǎn)生一個單獨(dú)的室內(nèi)空間，空調(diào)系統(tǒng)與環(huán)境相連，以控制溫度并保持溫度穩(wěn)定，因此可以長期保持機(jī)床的加工精度。

四、電氣系統(tǒng)對熱變形的補(bǔ)償

除了選擇有效的結(jié)構(gòu)和制冷系統(tǒng)外，對電路系統(tǒng)進(jìn)行熱變形補(bǔ)償對于確保數(shù)控機(jī)床的耐熱性也特別重要。選擇技術(shù)專業(yè)的系統(tǒng)軟件和傳感器，收集數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵零件的熱變形數(shù)據(jù)信息，如主軸軸承，柱塞，桿，床身等，并創(chuàng)建熱偏差實(shí)體模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和補(bǔ)償。起點(diǎn)平移轉(zhuǎn)換熱偏移補(bǔ)償方法是現(xiàn)階段常用的熱偏移補(bǔ)償方法。起點(diǎn)平移轉(zhuǎn)換補(bǔ)償方法的基本原理是熱偏差補(bǔ)償控制板的電子計算機(jī)床的熱偏差。該偏差作為補(bǔ)償數(shù)據(jù)信號發(fā)送至數(shù)控控制板，然后根據(jù)數(shù)控自動控制系統(tǒng)中PLC的I / O端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換。更改參考起點(diǎn)以完成對熱偏差的補(bǔ)償。

在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計過程中，有必要強(qiáng)調(diào)熱設(shè)計的重要性。在數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)層次上，可以選擇熱對稱結(jié)構(gòu)。在溫度控制級別，可以選擇有效的冷卻，除熱和研磨方法。數(shù)控機(jī)床從發(fā)熱到變形的整個過程比較復(fù)雜，其熱變形補(bǔ)償也更加復(fù)雜和關(guān)鍵。熱變形補(bǔ)償是提高數(shù)控機(jī)床加工精度的核心技術(shù)。在這個問題上應(yīng)該做進(jìn)一步的科學(xué)研究，形成系統(tǒng)的理論方法應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床設(shè)計領(lǐng)域。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄧小雷，林歡，王建臣，等.機(jī)床主軸熱設(shè)計研究綜述[J].光學(xué)精密工程2018，26（6）：1415-1429.

[2]高建民，史曉軍，許艾明，等.高速高精度機(jī)床熱分析與熱設(shè)計技術(shù)[J].中國工程科學(xué)，2017，15（1）：28-33.

[3]傅建中，姚鑫驊，賀永，等.數(shù)控機(jī)床熱誤差補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r[J].航空制造技術(shù)，2019（4）：64-66.