温度对数控机床加工精度有何影响？（下）

机床热性能试验

1数控机床热性能试验目的

控制数控机床热变形的关键是通过热特性试验，充分了解机床环境温度的变化、机床热源和温度的变化以及关键点（变形位移）的响应。试验数据或曲线描述机床的热特性，以便采取措施控制数控机床的热变形，提高数控机床的加工精度和效率。

具体而言，应实现以下目标：

1） 机器环境测试

测量车间内的温度环境及其空间温度梯度，昼夜交替时温度分布的变化，甚至季节变化对机床周围温度分布的影响。

2） 机床本身热特性试验

在尽可能消除环境干扰的条件下，机床处于各种工作状态，测量数控机床重要点的温度变化和位移变化，并记录足够长时间内的温度变化和关键点位移。

红外热位相仪可以用来记录每个时间段的热分布。

3） 测试加工过程中的温升热变形，判断机床热变形对加工精度的影响。

4） 以上实验可以积累大量的数据和曲线，为机床设计和用户控制热变形提供可靠的依据，为采取有效措施指明方向。

2.机床热变形试验原理

热变形试验首先需要测量几个相关点的温度，包括以下几个方面：

1） 热源：包括进给电机、主轴电机、滚珠丝杠传动副、导轨、主轴轴承各部分。

2） 辅助装置：包括液压系统、制冷机、冷却润滑位移检测系统。

3） 机械结构：包括床身、底座、滑块、立柱、铣头箱、主轴。一个铟钢探针夹在主轴和转盘之间。在X、Y、Z三个方向设置五个接触式传感器，测量不同状态下的综合变形，模拟刀具与工件之间的相对位移。

3.试验数据的处理与分析

机床热变形试验应长时间连续进行，并进行连续数据记录。经过分析处理，反射热变形特性的可靠性可以很高。如果通过多次实验进行误差抑制，所给出的规律是可信的。在主轴系统的热变形试验中，共设置了5个测点，其中1点位于主轴末端，2点靠近主轴轴承，4点和5点分别位于铣头壳体靠近Z向导轨处。测试时间总共持续了14个小时。前10小时主轴转速在0～9000r/min范围内交替变化，从第10小时开始，主轴继续以9000r/min的高速旋转。

可以得出以下结论：

1） 该主轴的热平衡时间约为1h，平衡后的温升范围为1.5℃；

2） 温升主要来自主轴轴承和主轴电机。在正常转速范围内，轴承热性能良好；

3） 热变形对X方向影响不大；

4） Z向伸缩变形较大，约10m，主要是主轴热伸长和轴承间隙增大所致；

5） 当转速保持在9000r/min时，温度急剧上升，2.5h内上升约7℃，并有继续上升的趋势。主轴在Y、Z方向的变形量分别达到29m和37m，说明主轴在9000r/min转速下已不能稳定运行，只能在较短时间（20min）内运行。

机床热变形的控制

通过以上分析讨论，机床的温升和热变形对加工精度有多种影响因素。在采取控制措施的时候，要抓住主要矛盾，集中在一两项措施上，以较少的努力取得更多的效果。在设计上，我们应该从四个方向着手：

减少发热和温升，结构均衡，冷却合理。

1减少热量

控制热源是一项根本措施。设计中必须采取措施，有效减少热源产生的热量。

1） 合理选择电机额定功率

电动机的输出功率P等于电压V和电流I的乘积。一般来说，电压V是恒定的。因此，负载的增加意味着电机的输出功率增加，即相应的电流I也增加，并且电枢阻抗中的电流消耗的热量增加。如果我们设计选用的电机长期工作在额定功率附近或大大超过额定功率时，电机的温升会大大增加。为此，对BK50数控针槽铣床的铣头进行了对比试验（电机转速：960r/min，环境温度：12℃）。通过以上试验，得出如下概念：考虑热源的性能，无论是主轴电机还是进给电机，在选择额定功率时，最好选择比计算功率大25%左右。在实际运行中，电机的输出功率与负载相匹配，提高电机的额定功率对能耗影响不大。但它能有效地降低电机的温升。

2） 在结构上采取适当措施，减少二次热源的发热，降低温升。

比如在设计主轴结构时，要提高前后轴承的同轴度，采用高精度轴承。在可能的情况下，将滑动导轨更换为直线滚动导轨，或使用直线电机。这些新技术可以有效地减少摩擦，减少热量的产生，降低温升。

3） 在加工过程中，采用高速切削。（基于高速切削机理）

当金属切削线速度高于一定范围时，被切削金属没有时间产生塑性变形，切屑上也没有产生变形热。大部分切削能量转化为切屑动能并带走。

2减少热变形的结构平衡

在机床上，热源总是存在的，如何使传热的方向和速度有利于减小热变形，需要进一步关注。或者结构具有良好的对称性，使传热沿对称方向传递，使温度分布均匀，变形相互抵消，形成热亲和结构。

（1） 预应力和热变形。

在高速进给系统中，滚珠丝杠通常在两端轴向固定以形成预紧应力。这种结构除了提高动静态稳定性外，对减小高速进给的热变形误差也有重要作用。轴向固定结构在600mm的总长度内预拉伸35m，在不同的进给速度下相对接近温升。两端固定的预拉伸结构的累积误差明显小于一端固定另一端自由延伸的结构。在两端轴向固定的预应力结构中，热引起的温升主要是使丝杠内部的应力状态由拉应力变为零应力或压应力。因此，对位移精度的影响很小。

（2） 改变结构，改变热变形方向。

采用不同滚珠丝杠轴向固定结构的数控针槽铣床Z轴主轴滑块，加工时要求铣槽误差为0.05mm。螺杆下端采用轴向浮动结构。加工后2小时内，槽深由0逐渐加深至0.045mm。相反，螺杆的浮动端结构可以保证槽深的变化。

（3） 机床结构的对称性可以使热变形均匀，使刀尖的漂移最小。

首先，机床结构采用完全对称的布局。柱、梁为整体结构，呈H形，相当于双柱结构，对称性好。近似圆形的主轴滑块在纵向和横向上是对称的。三个运动轴的进给驱动采用直线电机，使结构更容易实现对称。两个旋转轴采用直接驱动，以尽量减少摩擦损失和机械传动。

3.合理的降温措施

（1） 加工过程中冷却液对加工精度的影响是直接的。

试验表明，采用冰箱对冷却液进行换热处理，对提高加工精度是非常有效的。采用传统的冷却液供给方式，30分钟后，工件尺寸将超差。使用冰箱后，可正常加工至70分钟以上。80min时工件尺寸过大的主要原因是砂轮需要修整（去除砂轮表面的金属屑），修整后可立即恢复原加工精度。效果非常明显。同样，主轴的强制冷却也会取得很好的效果。

（ 2） 增加自然冷却面积。

例如，在主轴箱结构上增加自然风冷面积，在空气流通良好的车间内也能起到很好的散热作用。

（3） 及时自动排屑。

工件、工作台、刀具上高温切屑的及时或实时排出，将大大降低关键零件的温升和热变形。

展望

机床热变形控制是现代精密加工领域的一个重要课题，影响机床热变形的因素非常复杂。此外，现代切削加工中高速、高效、高精度的结合使得机床的热变形问题更加突出。引起了机床制造业的广泛关注。国内外机床行业的学者对此做了大量的研究，并在理论上取得了长足的进步。机床热变形已成为机床研究的基础理论之一。

本文从机床设计与应用、测量与分析方法等方面分析了影响机床热性能的因素，并提出了改进的设计措施。

因此，我们认为机床热性能的优化设计应从以下几个方面着手：

（1） 在现代高端数控机床的设计阶段，要注意所设计机床未来应用的环境条件。

（2） 控制和配置热源是关键。控制热源主要是控制能源消耗与动力来源的匹配，采用新的结构，减少二次摩擦热源，提高能源利用效率。

（3） 改变传统思维，促进冷却、散热、润滑、排屑等设备从机床的“辅助”部件状态向“重要”部件状态转变，这是不可掉以轻心的。

（4） 注意结构的对称性和热变形方向的设计，尽量减少热变形对精度的影响，特别是结构件热变形数学模型的研究和应用，从而为热变形控制设计提供定量指导。