数控机床主轴热误差及优化策略研究

郭婷

摘要：数控机床具有非常高的加工精度与加工效率，是机械制造行业不可或缺的重要设施。数控机床在运行过程中，主轴位置会产生大量的热量，导致数控机床加工精度降低，为此，必须要尽可能消除主轴热误差。主轴热能主要来源于外部环境以及机床本身热能，其中电动机发热与轴承发热产生的热能难以有效去除，需要分析发热缘由并计算热量大小。为了有效控制主轴热误差，可以从改进结构并增强温度控制水平、额外增加热源与自身热能相平衡、构建热误差-温升模型三个方面进行。

关键词：数控机床;主轴;热误差

0  引言

制造业在我国经济体系中占据了相当大的分量，每年国内生产总值中有大约4成是制造业贡献的。由此可见，制造业在促进社会经济稳定发展中发挥了巨大的作用，必须要采取多种措施推动制造业不断发展，目前我国制造业逐步朝向信息化、自动化、智能化方向发展，加工效率、加工精度等实现了较大增长。数控加工是现代制造业中及其重要的一部分，相比较与传统加工方式，数控加工具有更大的优势，不仅加工精度高、加工速度快，同时也能够满足各种复杂、非标的零部件加工需求，引领现代制造业向精密加工方向前进。数控机床加工过程中，会受到自身以及外界环境因素的影响，导致加工精度降低，影响机械加工品质，为了提高数控机床加工效果，必须要降低各种不良因素对数控加工的影响。为此，本文对数控机床主轴热量产生的原因与发热量进行了计算，并提出了降低主轴热误差的优化策略。

1  数控机床主轴热误差产生原因与发热量计算

数控机床在运行过程中，主轴位置会产生较大的热量，一般来说热量主要来自于两个方面，分别是外部环境产生的热量以及机床本身产生的热量[1]。其中，外部环境热量通常是自然环境中的热量以及太阳辐射产生的热量，而机床本身产生的热量通常是电能与动能转化产生的热能、切削加工以及摩擦产生的热能等。为了降低外部热量对数控机床运行的影响，可以通过控制外界环境温度来实现，保证加工车间处于恒定的温度值;而机床本身产生的热能中，切削工件以及碎屑会带走一部分热量，必须要控制余下的热量对机床运行的影响，可以通过增加冷却液的方式降低切削热量，保障数控机床稳定运行。除了上述热能产生位置外，电动机在运行过程中会使一部分动能转化为热能、各个相对运动部件之间也会产生较多的摩擦热量，这两个热量成为了影响数控机床温度控制的主要问题[2]。

1.1 电动机发热缘由与计算

要想进一步提高数控机床加工精度，并保证加工过程的稳定性，必须要控制数控机床主轴温度，降低热误差对加工品质的影响。要想精确分析数控机床主轴温度对加工精度的影响，必须要明确主轴电动机的额定功率。在本研究中选取电动机额定功率为30kW，结合线性内插法可以得知，效率峰值ηmax=0.91。要想获得更加精准的效率数值，还必须要借用两个无量纲效率系数，即ηs与η1，系数值所属区域为[0，1]。数控机床主轴在实际运行过程中，电动机产生的热量受到实际转速、负载大小的影响，计算公式如下[3]：

上述公式中，Qm表示为电动机运行过程中产生的实际热量值，p表示为电动机旋转磁场极对数，n表示为数控机床主轴旋转速度。

1.2 轴承发热缘由与计算

数控机床主轴旋转是通过轴承旋转实现的，在高速运转过程中，轴承会产生大量的热能。轴承自身包含了内圈、外圈、滚动体、支撑环以及挡垫等部件，在运动过程中，轴承内圈与外圈产生高速相对运动，而内圈与外圈之间的各个部件会产生较大的阻抗，由此产生摩擦。通常来说，轴承内部摩擦主要包含了以下几个种类，分别是纯滚动摩擦、小幅滑动摩擦、大幅滑动摩擦以及滑动摩擦[5]。其中纯滚动摩擦主要出现在滚动体与内外圈之间;小幅滑动摩擦主要是由于内外圈旋转速度高于滚动体速度，使得滚动体与内外圈之间产生小幅滑动;大幅滑动摩擦主要体现在滚动体与保持架之间、滚动体与挡垫端面;滑动摩擦主要体现在密封部件之间。

轴承在旋转过程中，当摩擦力矩越大、旋转速度越高，则在单位时间内产生的热量也就越多，反之则产生的热量越少，轴承的实际发热量可以用以下公式表示：

上述公式中，Qb表示为轴承运动中实际发热量，M表示为轴承摩擦力矩。

相同的轴承，摩擦力矩也不是恒定不变的。伴随着现代科学技术水平的不断提升，轴承的型号、用途、承载以及额定转速等都出现了较大的改变，同时轴承在长时间运行过程中，摩擦力矩也展现出来了多样化的特征，由此可见，要想精准计算出摩擦扭矩的实际数值具有非常大的难度，在实际计算过程中，只能通过理想方式计算出最为接近的摩擦扭矩数值。通过大量的实验经验总结，可以将摩擦扭矩求解方式进行简化，这种方式是将摩擦力表现为承载以及速度两个方面，两方面结合起来就是力矩，其表达公式如下：

M=M1+MV

2  数控机床主轴热误差优化策略

2.1 主轴热误差识别

为了更好的消除主轴热误差对数控机床加工品质的影响，必须要能够正确识别主轴热误差。通常情况下，误差识别的方法涵盖了以下两种类型，分别是对机床周围空间进行直接量取以及误差合成方法[6]。

具体来说，第一种方法是通过专用仪器对数控机床主轴附近不同位置的温度进行直接测量，并同步获取对应温度下的主轴误差数值，选用的测量设施有激光干涉儀、温度仪等，采用设备分别测量同一时间下刀具切削面与加工件表面的温度，从而得到两者的热误差。采用这种方法能够得到较为精准的结果，并且测量工作非常简单、容易操作。

第二种方法是将数控机床主轴分割为多个构件，然后对每一个构件的变形程度进行实时监测，得到各个构件的热误差，之后再将所有构件的热误差进行整合，最终得到总的热误差。

2.2 主轴热误差改进方法

主轴热误差会降低数控机床加工品质，必须要采取有效措施防范主轴热误差产生，通常来说可以通过以下三种途径进行控制[7]：

第一，改进结构并增强温度控制水平。

这种方法是对数控机床总体结构进行改进，逐步改善机床本身的热传导能力，使得自身达到最优的热对称布局。为此，可以改变电主机固定方式与区域，尽可能的远离电源。在保证数控机床加工水平与功能的前提下，在主轴线前端部位增加散热装置，避免机床内部热量散入到主轴箱内。在主轴箱前端面设置变速箱以及传动箱，同时在相互连接的部件之间增加循环冷却装置。在主轴箱各个侧面设置大功率风扇，确保主轴箱内产生的热量能够迅速散发出去，从而降低热误差。最后，也要提高冷却设备的工作水平，结合并联冷却方法，进一步强化冷却能力。

第二，额外增加热源与自身热能相平衡。

这种方法是在深入研究和理解熱平衡原理基础上进行的，具体操作是在主轴箱与变速箱连接位置设置瞬态电源，尽管这种方法无法有效避免主轴箱出现变形，但是可以很好的防止刀具端面出现变形，有助于改善数控机床切削精度。

第三，构建热误差-温升模型，通过观察图标中曲线的走势，得到各个位置的热变形特征，制定科学合理的热误差补偿方法，有目的性的进行补偿控制测量，降低主轴热误差，从而改善数控机床加工质量。

3  结语

目前，我国机械制造行业正在朝向高智能、高精度方向发展，数控机床作为机械制造领域重要的加工设备，必须要不断改善自身的加工品质，科学、有效控制机床运行中产生的热量，降低热量对主轴工作的影响，不断提高数控机床加工精度，促进机械制造行业进一步发展。

参考文献：

[1]袁江，吕晶，邱自学，沈亚峰，刘传进，薛伯军.基于温度传感标签的主轴热误差无线监测方法及试验[J].机械工程学报，2015，51（14）：15-22.

[2]苗恩铭，刘义，杨思炫，陈维康.无偏估计拆分算法在数控加工中心主轴热误差建模中的应用[J].中国机械工程，2016，27（16）：2131-2136.

[3]要小鹏，殷国富，李光明.基于OE-CM算法的机床主轴热误差建模与补偿分析[J].中国机械工程，2015，26（20）：2757-2762.

[4]仇健，刘启伟，李晓飞，马晓波.卧式数控机床主轴温度场分布及对机床热变形的影响[J].制造技术与机床，2011（08）：114-119.

[5]项四通，杨建国，张毅.基于机理分析和热特性基本单元试验的机床主轴热误差建模[J].机械工程学报，2014，50（11）：144-152.

[6]苗恩铭，龚亚运，成天驹，陈海东.支持向量回归机在数控加工中心热误差建模中的应用[J].光学精密工程，2013，21（04）：980-986.

[7]王建臣，林思琦，沈雨欣，谢长雄，邓小雷.数控机床主轴热误差测点优化及建模技术研究[J].航空制造技术，2019，62（06）：41-46，59.