數(shù)控機(jī)床的熱變形原因及解決措施

發(fā)布時間：2021-07-08 14:03:27     作者：顯揚科技

      工藝過程的自動化和精密加工的發(fā)展對機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。機(jī)床在內(nèi)外熱源的影響下，各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關(guān)系遭到破壞，也使機(jī)床的精度下降。在通常情況下，為了使機(jī)床的熱變形達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值，需要花費很多時間來預(yù)熱機(jī)床，這就直接影響了機(jī)床的生產(chǎn)率。對于數(shù)控機(jī)床來說，因為全部加工尺寸是預(yù)先編制的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。因此，認(rèn)真分析數(shù)控機(jī)床熱變形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意義。

一、數(shù)控機(jī)床的熱變形成因分析

      機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發(fā)熱以及輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源等。此外，機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。

      (一)切削熱

      在金屬切削過程中，由機(jī)械能變?yōu)楸磺邢鞑牧系淖冃文?，從而產(chǎn)生大量的熱量，產(chǎn)生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質(zhì)及切削用量的大小。切削產(chǎn)生的熱量主要通過傳熱分配到刀具、工件和切屑，它們之間按照一定的比例關(guān)系分配熱量。對于不同的加工種類，其切削熱的計算與分配也各不相同。

      在車削加工中，大量的熱量被切屑帶走，傳給工件的熱量次之，一般在30%以下，而傳給刀具的熱量又次之，一般不大于5%；對于銑削和刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下；在不加冷卻液切削時，大量的切屑落在機(jī)床床身和工作臺上，它對床身和工作臺熱變形的影響是顯而易見的。但大量的切屑只有粗加工時才有，而機(jī)床熱變形對粗加工精度的影響則一般可以忽略；對于精加工，由于走刀量和切削深度一般比較小，故切屑帶走的熱量也比較小，它們所引起床身和工作臺的熱變形也相對比較小，是否需要考慮，要看具體情況而定。但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一臺機(jī)床上進(jìn)行加工，對工作臺熱變形的影響，就應(yīng)予以注意。

      (二)運動副的摩擦熱和動力源的發(fā)熱

      機(jī)床有各種運動副，如主軸部件的滾動軸承、工作臺與導(dǎo)軌、絲杠與螺母等，運動件之間的相互運動產(chǎn)生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源。電機(jī)本身的發(fā)熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，也成為機(jī)床某一部件的發(fā)熱源。現(xiàn)代機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)，尤其是數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被大大簡化，主軸部件已成為影響機(jī)床熱變形的主要部分，而主軸部件的主要熱源來自于主軸軸承的發(fā)熱。

      (三)輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源

      機(jī)床受到日光的照射通常是單面的或局部的，故在照射部分與未經(jīng)照射的部分之間出現(xiàn)溫度的差異，致使機(jī)床產(chǎn)生變形。周圍環(huán)境的溫度，則隨氣溫及晝夜溫度的變化而變化，通過空氣對流使機(jī)床及工件的溫度也發(fā)生變化，不僅對機(jī)床的精度有一定的影響，而且影響零件的加工精度。例如，在精滾大直徑的斜齒輪時，要經(jīng)幾晝夜的連續(xù)加工，晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。

二、減少數(shù)控機(jī)床熱變形的措施研究

      前面分析了數(shù)控機(jī)床熱變形的產(chǎn)生原因主要是三大熱源，因此，要減少數(shù)控機(jī)床的熱變形，就要采取減少發(fā)熱、控制溫升以及改善機(jī)床結(jié)構(gòu)、進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)却胧?br />
      (一)減少發(fā)熱

      機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去，比如將電動機(jī)、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對于不能與主機(jī)分離的熱源，如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運動導(dǎo)軌副等，則必須改善其摩擦特性和潤滑條件，以減少機(jī)床內(nèi)部的發(fā)熱。

      主軸部件是直接影響加工精度的關(guān)鍵部件，而主軸上的軸承又是一個很大的熱源。在數(shù)控機(jī)床上除了采取精密滾動軸承和對軸承進(jìn)行油霧潤滑外，還可采用靜壓軸承。同時，在精密數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)應(yīng)盡量避免使用摩擦離合器等發(fā)熱元件。

      機(jī)床加工時所產(chǎn)生的切屑也是一個不可忽視的熱源。產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機(jī)床應(yīng)裝有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走，或者在工作臺或?qū)к壣习惭b隔熱板，使這部分熱量被隔離在機(jī)床之外。此外，在使用切削液的數(shù)控機(jī)床上，切削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當(dāng)它散落在機(jī)床的各處時，也會產(chǎn)生局部的溫升。因此，精密數(shù)控機(jī)床應(yīng)控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通過最短途徑從機(jī)床中排出。

      (二)控制溫升

      除了采取上述措施來減少發(fā)熱外，還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響，比如在機(jī)床的發(fā)熱部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。目前對于多坐標(biāo)軸的數(shù)控機(jī)床，由于它在幾個方向上都有要求很高的精度，因而很難采用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少熱變形的影響。對于這類數(shù)控機(jī)床，采用制冷系統(tǒng)對潤滑液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的方法可以收到良好的效果。但是需要注意，制冷系統(tǒng)的冷卻能力必須適當(dāng)，如果吸熱量大于機(jī)床內(nèi)部熱源的發(fā)熱量，那么，這勢必會使機(jī)床的溫度低于環(huán)境溫度，不僅引起收縮，而且潮濕空氣會將冷凝在機(jī)床表面上而使機(jī)床生銹。

      除了采用強(qiáng)制冷卻之外，也可以在數(shù)控機(jī)床低溫部分通過加熱的方法，使機(jī)床各點的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場的均勻，減少由于溫差造成的翹曲變形，比如某些較大型的數(shù)控機(jī)床設(shè)有加熱設(shè)備，在加工之前通過縮短機(jī)床的預(yù)熱時間，以提高機(jī)床的實際生產(chǎn)率。

      (三)改善數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)

      在同樣發(fā)熱條件下，不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)對熱變形的影響也不一樣，故而改善數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，可以有效地控制數(shù)控機(jī)床的熱變形。因此，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床時要盡可能的采用雙立柱結(jié)構(gòu)而不是目前流行的單位柱結(jié)構(gòu)。雙立柱結(jié)構(gòu)由于左右對稱，受熱后的主軸軸線除產(chǎn)生垂直方向的平移外，其他方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動可以方便地用一個坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。此外，在設(shè)計數(shù)控機(jī)床的主軸箱時，應(yīng)該盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上，這樣，刀尖沿工件切向的偏移對工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎就可以忽略不計。在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)當(dāng)盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離，以減少熱變形的總量。同時，應(yīng)使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜。

三、結(jié)語

      綜上所述，減少機(jī)床熱變形至關(guān)重要，己越來越引起人們的重視，方法繁多。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于熱變形的研究必將有新的突破，可以預(yù)見隨著熱變形研究的進(jìn)一步深入，機(jī)械加工的精度必將會更上一個臺階。



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