數(shù)控銑床主軸減小熱誤差的結構優(yōu)化設計

摘 要：隨著我國科技水平的不斷提高，其數(shù)控銑床也向著高精度、高速度、高效率的方向發(fā)展著，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的需求提升導致數(shù)控銑床必須具備相當高標準的加工性能，必須將數(shù)控銑床的重量保持在合理的范圍內(nèi)。數(shù)控銑床是數(shù)控機床的一種，而在數(shù)控銑床中，銑床主軸在運行的過程中會產(chǎn)生較大的熱能，這些熱能的積聚會對產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定的影響。

關鍵詞：主軸部件；熱變形；結構

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.011

0 引言

數(shù)控銑床在生產(chǎn)的過程中，其發(fā)生的誤差主要有以下兩個方面：其一，熱誤差。其二幾何誤差、伺服控制誤差、切削力誤差。在這所有的誤差中，熱誤差占據(jù)著誤差總量的三分之一，因此熱誤差的降低是提高銑床加工的產(chǎn)品精度的關鍵。

1 主軸部件結構中的熱量傳遞

一個銑床的主軸溫度場的形成，主要是銑床在自身運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量以及外部環(huán)境所攜帶的熱量共同組成了熱能量場。因此銑床主軸的結構對整個數(shù)控銑床的熱誤差有著直接的關系。而主軸部件機構在高速運轉(zhuǎn)的過程中其產(chǎn)生的熱量會逐漸的進行傳遞，下圖1標注的是車床電主軸以及箱體的二維結構示意圖。

在此車床的電主軸中，其熱量的傳遞經(jīng)過科研人員的深入的分析和研究，主軸在運轉(zhuǎn)的過程中，對主軸熱變形影響較大的發(fā)熱部分是前后動靜壓軸承。而主軸熱分析過程中總共有三類熱量的傳遞方式，其一，熱傳導；其二，對流換熱；其三，輻射換熱。從圖1可以看出，數(shù)控銑床的結構對于熱量的產(chǎn)生大小有著極大的影響[1]。

2 針對數(shù)控銑床主軸減小熱誤差結構設計的優(yōu)化對策

在現(xiàn)階段無論是國外還會國內(nèi)，銑床的熱誤差導致銑床部件的變形等問題都沒有得到徹底的解決，而筆者根據(jù)對相關資料的研究分析，從數(shù)控銑床的主軸結構的優(yōu)化對熱誤差的減小總結出以下幾個方面的對策。

2.1 設計階段的控制

數(shù)控銑床的設計方面就是從源頭上開始對熱誤差進行減少，因此在數(shù)控銑床的的設計階段就通過對銑床的熱誤差進行檢測。在此階段可以建立銑床的熱誤差模型，通過一些科學的計算方式銑床的熱誤差進行檢測以及分析，對于銑床因為機構上的不合理而產(chǎn)生過多熱量的部位進行改進。而且在設計階段設計出先進的冷卻系統(tǒng)也可以在一定程度上減少熱量的產(chǎn)生。冷卻系統(tǒng)對于銑床熱誤差減小有著極為重要的意義，而且相關的工作人員在銑床開始設計的階段必須對銑床結構比較薄弱的結構進行了一定強度的優(yōu)化，運用科學的方法對銑床敏感誤差的部位進行細致的檢測。例如在設計階段可將產(chǎn)生大量熱能的電動機與主軸之間的距離進行了一定的加長。綜合以上而言，數(shù)控銑床在設計階段對主軸結構進行一定的優(yōu)化，可以在很大程度上消除熱誤差的產(chǎn)生，對數(shù)控銑床的實現(xiàn)高精度生產(chǎn)具有著極為重要的作用[2]。

2.2 溫度的控制

眾所周知，數(shù)控銑床的冷卻系統(tǒng)一般由回水管、出水管、冷卻泵、開關以及噴嘴能諸多部件組成，而冷卻泵一般安裝在銑床底座的內(nèi)腔中，冷卻泵將切削液加壓通過噴嘴噴射到切削區(qū)進行冷卻作業(yè)，因此一個數(shù)控銑床的冷卻系統(tǒng)的良好運行對數(shù)控銑床熱誤差的減小有著極為重要的影響。

而溫度控制的方向主要是銑床冷卻系統(tǒng)的研發(fā)、銑床工作環(huán)境溫度控制等，而且經(jīng)過相關的科學研究得出，傳統(tǒng)的冷卻方法可以在一定程度內(nèi)減少熱誤差，而且無論是風冷系統(tǒng)還是水冷系統(tǒng)，都能在減少熱誤差的產(chǎn)生。但是現(xiàn)如今對于產(chǎn)品精度的要求提高，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)逐漸滿足不了精度對于熱誤差的要求。現(xiàn)階段相關的企業(yè)一般是通過風冷和水冷的方式對熱誤差進行控制，但是這類方式對于能源的消耗是巨大的，對于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展有著一定的影響，例如風冷就需要風機的轉(zhuǎn)速達到一定水平產(chǎn)生的風力才能使數(shù)控銑床冷卻。而風機的轉(zhuǎn)動便需要耗費較大的電能才能實現(xiàn)對數(shù)控銑床的冷卻。

2.3 主軸結構的優(yōu)化控制

在數(shù)控銑床中可以將電動機的安裝采取后置式的安裝，此類安裝方式能夠在很大程度上將電動機產(chǎn)生的熱源隔離在主軸的前端部分。而且電動機的此類安裝也有利于冷卻散熱系統(tǒng)的設計工作。

2.4 數(shù)控銑床主軸測溫點的優(yōu)化

數(shù)控銑床究其本質(zhì)而言，其具有的熱態(tài)系統(tǒng)有著復雜多變的特點，而且存在著很多對數(shù)控銑床的熱變形有較大影響的因素。而測溫點的選取在整個銑床的熱誤差補償中占據(jù)了較為重要的位置。如果溫度關鍵點的選擇較少，可能會影響熱誤差模型的預測精度。

但如果選擇的溫度關鍵點較多，其必須耗費大量的人力對這些關鍵點進行處理。最后會導致建模效率的降低。因此筆者建議相關的工作人員在進行數(shù)控銑床主軸測溫點的優(yōu)化工作中，對測溫點的選取必須以銑床運行中產(chǎn)生的熱量的實際大小來進行對主軸測溫點的選取。將熱誤差對于模型的預測精度的影響控制在合理的范圍內(nèi)[3]。

3 結語

本文就數(shù)控銑床主軸減小熱誤差的結構優(yōu)化設計展開全文的論述。在數(shù)控銑床的的設計階段以及后期銑床運作過程的溫度控制等方面對數(shù)控銑床的熱誤差減小的具體措施進行了一定的總結。我國科學技術的發(fā)展帶動著數(shù)控銑床向著高精度、高速度的方向不斷發(fā)展，但熱力差的存在對于數(shù)控銑床實現(xiàn)高精度的生產(chǎn)有著一定的制約，因此我國相關的研究機構對于如何完全消除熱力差對銑床生產(chǎn)高精度的影響應展開深入的研究。

參考文獻：

[1]岳紅新，石巖，李國芹.基于神經(jīng)網(wǎng)絡的主軸熱誤差補償技術研究[J].制造技術與銑床，2012（03）.

[2]雷春麗，芮執(zhí)元，劉軍.數(shù)控銑床電主軸熱誤差的預測方法[J].蘭州理工大學學報，2012（01）.

[3]周金芳，姜萬生，王斌洲，陳自立.高速電主軸在線溫升及軸向熱伸長測試系統(tǒng)的設計[J].科學技術與工程，2012（04）.

作者簡介：伍偉敏（1976-），男，湖南祁東人 ，學士，講師，研究方向：職業(yè)教育教學方法、機械零件優(yōu)化設計。