试论卧式数控加工中心主轴热误差问题

张中秋

摘要：在当前新市场经济常态下，卧式数控机床的应用在降低人力、物力和财力损耗的同时，也为企业可持续发展目标的实现奠定了良好基础，但纵观在当前新市场经济常态下，随着企业规模和数量的持续增加，企业市场竞争也愈演愈烈，作为数控机床的关键部件之一——主轴热误差问题的存在，给企业整体发展而言造成了极为不利的影响。鉴于此，本文主要针对卧式数控加工中心主轴热误差测量及数据分析，对热误差有效控制措施进行了系统化剖析，由此为企业预期发展目标的实现创造良好条件。

关键词：卧式数控机床;加工中心;主轴热误差;数据分析;防控手段

在卧式数控机床作业过程中，热性能对于加工作业的稳定性和可靠性有着重要影响，而随着近年来工业化建设进程的不断加快，数控机床应用范围在持续增加的同时，主轴热误差问题的存在在很大程度上严重影响了加工的精准度，為此加大对卧式数控加工中心主轴热误差问题的深入探讨，是推动企业进一步发展的重要战略基础。

一、卧式数控加工中心主轴热误差数据剖析

作为卧式数控机床的重要部件，主轴在调控机床加工精密度控制以及智能化发展方面发挥了重要作用，而近年来随着企业作业量的持续增加，在生产过程中由于机床热变形引发的误差问题成为了现阶段精密机床主要误差来源之一，给企业整体发展造成了极为不利的影响，因此对卧式数控加工中心主轴热误差数据进行系统化和合理化剖析是十分必要的。

（一）卧式数控加工中心主轴热误差测量方式

经大量调研数据分析可知，卧式数控加工中心内部轴承在高速运转时会形成大量热，进而导致主轴发生形变，在进行测量过程中倘若工作人员依据采取传统测量方式，在影响整体测量数据结果精准度的同时，企业整体发展也势必受到了一定影响。就目前来看，为从根本上有效地规避上述问题，在进行测量过程中，工作人员需采取恰当的手段和方式方法对主轴热误差进行测量，具体而言就是在测量时，工作人员需依据主轴热误差综合特征描述矩阵，构建热误差测量系统（系统的构成模块主要包括多通道数据采集模块、温度传感器、位移传感器、热成像仪和测量数据同步显示模块），通过采取“接触与非接触组合”的方法对主轴温度场进行数据测量。

在进行检测时，对于现阶段已经存在的不良问题，为确保检测数据的科学性、合理性和规范性，基层产业机构和相关部门工作人员需严格按照如下检测流程进行作业，即“使用红外热成像仪采用非接触方法测量主轴——使用P1T0铂温度传感器采用接触式方法 测量主轴温度场”。在进行测量过程中，为确保测量的精准度和可靠性，工作人员还要选用五点法（在x和Y方向分开布设两个位移传感器对各自方向上的热倾斜和热漂移进行测量，在z方向上布设一个位移传感器对轴向伸长进行测量）来检测主轴热误差。

（二）主轴有效测温点设定

就目前来看在进行测量过程中，由于受诸多不可控因素的影响，测量数据结果精准度往往难以保证，故此为从根本上有效地解决上述问题，在进行检测过程中，工作人员还要在主轴上设定有效测温点，具体而言有效测温点的设定可采用相关系数法，即综合考量z热伸长及Y向热漂移的基础上，挑选出对热位移影响明显的主要测温点作为代表点，究其原因主要是因为通过大量调研数据分析可知，不同部位的数控机床在温度变化时热形变量也不尽相同，只有选择最具代表性的热误差敏感点，并以此进行热误差补偿建模，才能切实保证后续检测作业的有效落实。

（三）主轴热误差数据分析

从目前来看，在进行主轴热误差测量过程中，由于受诸如高低转速切换与阶梯转速切换等因素的影响，主轴热误差数据的产生在影响整体数据测量结果精准度的同时，给企业可持续发展造成了极为不利的影响，为此对主轴热舞查数据进行合理化剖析，也是现阶段推动产业可持续发展的重要战略基础。根据大量调研数据分析可知，主轴温度会随着旋转时间和转速变化而改变，即时间和转速增加温度升高，时间和转速降低温度下降，且在某一转速条件下，温升会达到某一极限值，在该值状态下，其随主轴旋转保持均衡温度场状态。在进行数据采集过程中，检测工作人员可在主轴温度场保持恒定温度一段时间内，通过切换转速来采集特定转速下的最大热变形和最高温升。

二、卧式数控加工中心主轴热误差的控制手段

（一）温度控制

据调查在我是数控机床使用过程中，其热形变的主要诱导因素是热源，因此对热源进行合理化调控是目前降低热误差问题发生率，确保数据测量精准度的重要手段。在进行热源调控过程中，为保证机床良好的热态精度，工作人员不仅可调控热源来降低主轴温升，与此同时也可采取平衡温度场方法来规避形变，具体而言就是工作人员可利用恒温冷却机来冷却处理流经主轴箱或主轴轴承的润滑油，由此规避主轴轴承温度上升，与此同时工作人员还可采取空气循环冷却或水内冷却方式在主轴箱内围绕如主轴轴承外环等主要热源设置换热冷却套，来冷却主轴部件。

（二）机床改造

在进行热误差控制过程中，除了采取温度控制外，企业还可对机床进行不断改进，由此通过降低机床对温度敏感度的同时，来达到预期的降温处理目的，最终为企业的可持续发展奠定良好基础。在进行机床设计过程中，为达到预期的“热态结构优化设计”目的，工作人员需在综合考虑润滑油路布设、尺寸参数、结构类型、热源设置等因素的前提下，通过优化大件设计方案和构造，由此在降低形变量的同时，控制机床机构的热位移，与此同时相关人员在进行机床改造过程中，还要尽可能地选用比金属导体具有更高导热率的材料置于机床关键发热体位置，由此在改进机床导热率的同时，实现温度场均衡。

（三）误差补偿

在进行热误差控制过程中，误差补偿是提高机床加工精度的重要手段，与其它两种控制方式相比，经济性和稳定性是这种改造方式的显著应用优势。简单来讲，“误差补偿”核心是建立一个可预测误差的数学模型，在加工过程中利用这个模型预测误差进行实时补偿，预先标定误差补偿和主动误差补偿是最常用的两种误差补偿方式，减少主轴发热量（采用非接触式迷宫密封气封代替接触式密封减少系统内部热源数量）、改善主轴散热条件（采用强制油（水）冷，在主轴外周加螺旋冷却油（水）槽，对前后轴承设计专用的冷却回路）、进行热对称结构设计等则是改善主轴系统热特性的主要措施。

三、结语

简而言之，在当前新产业时代背景下，随着卧式数控加工机床的广泛应用，企业生产质量和效率取得突破性进展的同时，主轴热误差问题的存在在很大程度上对企业可持续发展造成了极为不利的影响，为此要想从根本上降低上述问题的发生率，逐步提升加工中心主轴工作精度，工作人员需从温度控制、机床改造和误差补偿三方面对热误差进行调控，以此来推动产业的进一步发展。

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