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臥式加工中心熱變形控制與熱誤差補償技術研究
閱讀：119 發(fā)布時間：2020-8-100 前 言
精密和超精密加工技術已經(jīng)成為現(xiàn)代機械制造中重要組成部分和發(fā)展方向，并成為提高競爭能力的關鍵技術［1］。隨著生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高和精密加工技術的廣泛應用，對數(shù)控機床加工精度的要求也日益提高。數(shù)控加工中心在加工過程中，各部件由于受到摩擦熱、冷卻液以及環(huán)境溫度等熱源的影響而溫度升高，產(chǎn)生熱變形，使得刀具和工件之間原來相對正 確 的 位 置 遭 到 破 壞， 終 導 致 工 件 的 熱 誤差。大量研究表明:熱誤差是數(shù)控機床加工中大的誤差 源，熱 變 形 能 夠 造 成 機 床 達40%～70%的 誤差［2］，減小熱誤差對提高機床的加工精度至關重要。
與進技術相比，國內(nèi)熱變形控制與熱誤差補償技術研究和應用的基礎較弱、經(jīng)驗不足。通過結合科技創(chuàng)新重大專項“面向汽車行業(yè)的智能化臥式加工中心及生產(chǎn)線成套設備"項目的實施，從減少發(fā)熱、控制溫升、熱誤差補償3個層次對臥式加工中心的熱變形控制與熱誤差補償技術進行了研究和應用。
1 熱源分析
臥式加工中心的熱源主要可 分 為 三 類:(1)加工工件時的切削熱;(2)機床相對運動部件間的摩擦熱，如絲杠、導軌、軸承等;(3)機 床 電 氣 部 件如主軸電機、伺 服 驅 動 電 機、液 壓 站 電 機、排 屑 系統(tǒng)電機、冷卻系統(tǒng)電機等 的 發(fā) 熱［3］。對 于 切 削 熱 的產(chǎn)生機制、傳遞規(guī)律以及刀具切削參數(shù)的優(yōu)化等內(nèi)容不做論述，因為切削熱可以通過刀具內(nèi)、外 冷 卻以及機床加 工 區(qū) 噴 淋 冷 卻 系 統(tǒng) 的 應 用 加 以 控 制［4］。主要研究機床相對運動部件間的摩擦熱以及主軸電機、伺服驅動電機發(fā)熱等引起的熱變形控制和熱誤差補償。
2 減少發(fā)熱
發(fā)熱會引起機床部件局部的溫度升高，局部的熱膨脹引起熱變形，造成熱誤差的出現(xiàn)，的情況自然是不發(fā)熱。當然這是不可能的，機床要加工工件必然要運動、要有力的存在，也就必然會產(chǎn)生相對運動部件間的摩擦熱。雖然不可避免，但可以減少摩擦熱的產(chǎn)生。相對運動零部件間的摩擦熱可通過提高運動功能部件精度、降低摩擦因數(shù)或改滑動為滾動等方式解決。
2.1高精度功能部件的選用
選用高精度的功能部件可提高機床的運動精度和定位精度、減少摩擦熱的產(chǎn)生，但功能部件精度不能無限制地提高，且隨著精度的提高，功能部件成本的提高更為明顯;同時在較高精度范圍內(nèi)，提升功能部件的精度對減少摩擦熱的影響變得很小;因而通過一味追求功能部件的高精度來減少摩擦熱的產(chǎn)生，與幾乎呈指數(shù)關系急速增長的成本相比是得不償失的。通常臥式加工中心選擇P4級以上的主軸軸承、C3級以上的滾珠絲杠和SP級以上的導軌即可滿足較高的精度指標，同時較為有效控制摩擦熱。
2.2潤滑
有效的潤滑是減少摩擦熱產(chǎn)生*的措施。絲杠、絲杠支撐軸承以及導軌通常采用集中稀油潤滑或脂潤滑方式。主軸軸承的潤滑通常有脂潤滑、稀油潤滑、油氣潤滑和油霧潤滑4種［5］。采用不同的潤滑方式，主軸軸承摩擦熱的產(chǎn)生和溫升特性是不同的，采用脂潤滑和稀油潤滑的軸承極限轉速較低，高速運轉時摩擦熱產(chǎn)生較快，溫度升高較快;采用油氣潤滑和油霧潤滑的軸承溫升狀態(tài)較好。如采用油霧潤滑，潤滑油的微小顆粒排出后會懸浮在空氣中，造成空氣污染，不能滿足環(huán)保和綠色制造的要求，因而高速臥式加工中心主軸通常采用油氣潤滑方式。油氣潤滑方式節(jié)省潤滑油，無污染，能夠顯著減少軸承系統(tǒng)的摩擦和磨損，延長軸承的壽命，同時氣體排出 主 軸 時 可 以 帶 走 軸 承 系 統(tǒng) 的 部 分 摩 擦熱，起到冷卻軸承系統(tǒng)的作用。采用油氣潤滑除要求油品質量高外，對氣體也要進行精細化處理，與油品混合前應除 塵、除 水、除 油，過 濾 精 度 通 常 需 達 到0.01μm。
3 控制溫升
熱量的產(chǎn)生不可避免，如果能將產(chǎn)生的熱量消除或帶走或隔絕而不引起機床零部件的局部溫度升高，也將不會產(chǎn)生機床熱變形。研究第二層次考慮采用冷卻的手段控制臥式加工中心關鍵部件的溫升或均衡關鍵部件溫度場，以達到控制熱變形的目的。
3.1主軸溫升
控制系統(tǒng)主軸溫升控制系統(tǒng)主要由冷卻裝置、管路和主軸螺旋冷卻水路組成封閉的自循環(huán)系統(tǒng)，通 過 循 環(huán) 油(水)帶走主軸軸承部位的熱量。冷卻裝置采用大功率油(水)冷 機，同 時 用 溫 度 傳 感 器 監(jiān) 測 冷 卻 油(水)及機體溫度，對從主軸返回的冷卻油(水)進行溫度控制或與機體溫度比較進行相對溫度控制，通過自 循 環(huán) 冷 卻 油(水)實 時 帶 走 主 軸 軸 承 部位的熱量，實現(xiàn)主軸溫度控制。