数控机床的热变形分析及其防治措施

摘要:数控机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。此外,机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。因此,要想控制热变形,必须从减少发热、控制温升、改善结构等方面着手。

关键词:数控机床;热变形;机械加工精度;热源;机床结构

中图分类号:TG502文献标识码:A文章编号:1009-2374(2009)10-0059-02

工艺过程的自动化和精密加工的发展对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。机床在内外热源的影响下,各部件将发生不同程度的热变形,使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏,也使机床的精度下降。在通常情况下,为了使机床的热变形达到稳定的数值,需要花费很多时间来预热机床,这就直接影响了机床的生产率。对于数控机床来说,因为全部加工尺寸是预先编制的指令控制的,热变形的影响就更为严重。因此,认真分析数控机床热变形的成因,并研究防范措施具有十分重要的意义。

一、数控机床的热变形成因分析

机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。此外,机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。

(一)切削热

在金属切削过程中,由机械能变为被切削材料的变形能,从而产生大量的热量,产生热量的大小主要取决于被切削材料的性质及切削用量的大小。切削产生的热量主要通过传热分配到刀具、工件和切屑,它们之间按照一定的比例关系分配热量。对于不同的加工种类,其切削热的计算与分配也各不相同。

在车削加工中,大量的热量被切屑带走,传给工件的热量次之,一般在30%以下,而传给刀具的热量又次之,一般不大于5%;对于铣削和刨削加工,传给工件的热量一般在30%以下;在不加冷却液切削时,大量的切屑落在机床床身和工作台上,它对床身和工作台热变形的影响是显而易见的。但大量的切屑只有粗加工时才有,而机床热变形对粗加工精度的影响则一般可以忽略;对于精加工,由于走刀量和切削深度一般比较小,故切屑带走的热量也比较小,它们所引起床身和工作台的热变形也相对比较小,是否需要考虑,要看具体情况而定。但在加工中心上,零件的粗、精加工往往在同一台机床上进行加工,对工作台热变形的影响,就应予以注意。

(二)运动副的摩擦热和动力源的发热

机床有各种运动副,如主轴部件的滚动轴承、工作台与导轨、丝杠与螺母等,运动件之间的相互运动产生摩擦力,从而引起摩擦热而形成热源。电机本身的发热和液压系统的发热,也成为机床某一部件的发热源。现代机床的传动结构,尤其是数控机床已经被大大简化,主轴部件已成为影响机床热变形的主要部分,而主轴部件的主要热源来自于主轴轴承的发热。

(三)辐射与周围环境等其它外界热源

机床受到日光的照射通常是单面的或局部的,故在照射部分与未经照射的部分之间出现温度的差异,致使机床产生变形。周围环境的温度,则随气温及昼夜温度的变化而变化,通过空气对流使机床及工件的温度也发生变化,不仅对机床的精度有一定的影响,而且影响零件的加工精度。例如,在精滚大直径的斜齿轮时,要经几昼夜的连续加工,昼夜温差将引起齿轮齿表面的波纹度误差。

二、减少数控机床热变形的措施研究

前面分析了数控机床热变形的产生原因主要是三大热源,因此,要减少数控机床的热变形,就要采取减少发热、控制温升以及改善机床结构、进行热补偿等措施。

(一)减少发热

机床内部发热是产生热变形的主要热源,应尽可能地将热源从主机中分离出去,比如将电动机、变速箱、液压装置以及油箱等外置。对于不能与主机分离的热源,如主轴轴承、丝杆螺母副、高速运动导轨副等,则必须改善其摩擦特性和润滑条件,以减少机床内部的发热。

主轴部件是直接影响加工精度的关键部件,而主轴上的轴承又是一个很大的热源。在数控机床上除了采取精密滚动轴承和对轴承进行油雾润滑外,还可采用静压轴承。同时,在精密数控机床的主轴箱内应尽量避免使用摩擦离合器等发热元件。

机床加工时所产生的切屑也是一个不可忽视的热源。产生大量切屑的数控机床应装有完善的排屑装置,以便将热量尽快带走,或者在工作台或导轨上安装隔热板,使这部分热量被隔离在机床之外。此外,在使用切削液的数控机床上,切削液冷却了刀具和工件之后,带走了切削热,当它散落在机床的各处时,也会产生局部的温升。因此,精密数控机床应控制切削液的温度,并使切削液迅速地通过最短途径从机床中排出。

(二)控制温升

除了采取上述措施来减少发热外,还必须通过良好的散热和冷却来控制温升,以减少热源的影响,比如在机床的发热部位进行强制冷却。目前对于多坐标轴的数控机床,由于它在几个方向上都有要求很高的精度,因而很难采用补偿的方法来减少热变形的影响。对于这类数控机床,采用制冷系统对润滑液进行强制冷却的方法可以收到良好的效果。但是需要注意,制冷系统的冷却能力必须适当,如果吸热量大于机床内部热源的发热量,那么,这势必会使机床的温度低于环境温度,不仅引起收缩,而且潮湿空气会将冷凝在机床表面上而使机床生锈。

除了采用强制冷却之外,也可以在数控机床低温部分通过加热的方法,使机床各点的温度趋于一致,这样可以保持温度场的均匀,减少由于温差造成的翘曲变形,比如某些较大型的数控机床设有加热设备,在加工之前通过缩短机床的预热时间,以提高机床的实际生产率。

(三)改善数控机床的结构

在同样发热条件下,不同的机床结构对热变形的影响也不一样,故而改善数控机床的结构,可以有效地控制数控机床的热变形。因此,在设计数控机床时要尽可能的采用双立柱结构而不是目前流行的单位柱结构。双立柱结构由于左右对称,受热后的主轴轴线除产生垂直方向的平移外,其他方向的变形很小,而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。此外,在设计数控机床的主轴箱时,应该尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上,这样,刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小,几乎就可以忽略不计。在结构上还应当尽可能减小主轴中心与主轴箱底面的距离,以减少热变形的总量。同时,应使主轴箱的前后温升一致,避免主轴变形后出现倾斜。

三、结语

综上所述,减少机床热变形至关重要,己越来越引起人们的重视,方法繁多。随着技术的不断发展,关于热变形的研究必将有新的突破,可以预见随着热变形研究的进一步深入,机械加工的精度必将会更上一个台阶。

参考文献

[1]吴光新.数控机床的热变形控制研究[J].西南石油大学学报,2006,(10).

[2]谷继永.控制机床热变形的措施探讨[J].安徽理工大学学报,2005,(6).

作者简介:廖威春(1968-),男,广东韶关人,广东机电职业技术学院教师,研究方向:机械类实验教学。