機(jī)床熱誤差產(chǎn)生原因分析及常用補(bǔ)償辦法

李亞聰

摘?要：隨著我國的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)的重要性不言而喻，對機(jī)床的加工質(zhì)量和效率也提出了新的要求。但是在實(shí)際生產(chǎn)中，高端機(jī)床需要從國外采購，國產(chǎn)機(jī)床的熱誤差仍然是難以解決的問題，對機(jī)床的生產(chǎn)質(zhì)量造成了一定的影響。本文將首先闡述產(chǎn)生熱誤差的因素，進(jìn)而列舉減小熱誤差的常用方法，最后敘述熱誤差補(bǔ)償技術(shù)存在的問題，旨在對我國的機(jī)床生產(chǎn)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：熱誤差;數(shù)控機(jī)床;建模

機(jī)床是一種重要的工業(yè)設(shè)備，在機(jī)械生產(chǎn)中具有舉足輕重的作用。現(xiàn)階段，我國工業(yè)生產(chǎn)逐漸趨于自動化形態(tài)，精密制造技術(shù)也在不斷發(fā)展，這就對機(jī)床提出了新的要求，不能夠僅僅滿足于高精度以及高速度這類傳統(tǒng)工作需要，還要具備精密化以及智能化的生產(chǎn)特征。機(jī)床精度是機(jī)床的重要參數(shù)，決定了加工質(zhì)量的高低，而對于機(jī)床精度而言，相關(guān)的影響因素一般有許多部分，主要是熱變形誤差、機(jī)床制造裝配幾何誤差、切削加工引起的切削力變形誤差以及磨損誤差等。

根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際機(jī)床的工作中，熱誤差帶來的影響一般在40%和70%之間，基本都是由于機(jī)床在持續(xù)工作中溫度會逐漸上升，同時(shí)內(nèi)部不同部位的溫度也有一定的差距，也就是產(chǎn)生了溫度梯度，這種內(nèi)部溫度梯度會帶來部件間的應(yīng)力，在應(yīng)力的作用下而迫使機(jī)床產(chǎn)生形變。

1 產(chǎn)生熱誤差的主要因素

在數(shù)控機(jī)床的工作中必然會產(chǎn)生一定的熱量，而熱源一般可以分為機(jī)床內(nèi)部熱源以及機(jī)場外部熱源這兩種。機(jī)床運(yùn)行時(shí)內(nèi)部的電機(jī)轉(zhuǎn)動、軸承、導(dǎo)軌摩擦以及電路熱功率都會產(chǎn)生熱量，其中產(chǎn)生熱量最多的就是電機(jī)以及軸承這兩個部分，對機(jī)床的影響較為明顯。除此之外，如果為了提升工作量而使用較多的電主軸，那么件導(dǎo)軌和絲杠副摩擦熱也會帶來較大的影響，同樣不能忽視。

機(jī)床內(nèi)部熱源產(chǎn)生的熱量通常比外部熱大得多，所以對機(jī)床影響最大的基本就是內(nèi)部熱。在機(jī)床中，由于各個部分產(chǎn)生的熱量不同而導(dǎo)致溫度不同，對應(yīng)的熱應(yīng)力也會有差別，在這種情況下機(jī)床就會發(fā)生形變產(chǎn)生彈力來抵消熱應(yīng)力的梯度差。在機(jī)床的設(shè)計(jì)中，不僅要考慮內(nèi)部熱源的影響，還要注重機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)以及零件連接等內(nèi)容，因?yàn)檫@部分也與熱誤差有關(guān)聯(lián)。如果機(jī)床結(jié)構(gòu)合理完善，那么熱容量、熱剛度等重要參數(shù)也會達(dá)到實(shí)際需求，減小熱誤差時(shí)滯和耦合。除此之外，組成機(jī)床的部件結(jié)構(gòu)、尺寸、材料的選擇也會有不同的效果。

2 減小熱誤差的常用方法

在機(jī)床進(jìn)行加工的過程中，熱誤差的大小是不可忽略的部分。根據(jù)熱誤差的產(chǎn)生因素，可以通過實(shí)施誤差避免技術(shù)以及誤差補(bǔ)償技術(shù)來降低熱誤差，進(jìn)而提升機(jī)床加工的精度。

2.1 誤差避免技術(shù)

（1）控制熱源。在實(shí)際應(yīng)用中，通常針對機(jī)床冷卻系統(tǒng)的特征來對其進(jìn)行有效控制，進(jìn)而維持機(jī)床的熱穩(wěn)定性，與此同時(shí)，測量機(jī)床每個部分的產(chǎn)熱量的大小，對高產(chǎn)熱部分加以控制，根據(jù)設(shè)備的具體狀態(tài)設(shè)計(jì)優(yōu)化對應(yīng)的冷卻系統(tǒng)，同時(shí)還要提高機(jī)床的潤滑度。（2）物理冷卻。所謂的物理冷卻，實(shí)際上就是對一些機(jī)床進(jìn)行水淋或者風(fēng)冷。在機(jī)床的工作過程中，如果普通的物理冷卻難以達(dá)到降溫標(biāo)準(zhǔn)，影響了機(jī)床的工作效率，那么就可以考慮實(shí)施強(qiáng)對流方法進(jìn)行冷卻，而這種方式會耗費(fèi)更多的經(jīng)濟(jì)。

根據(jù)以往的使用經(jīng)驗(yàn)，相關(guān)研究人員逐漸發(fā)現(xiàn)控制熱源以及物理冷卻這兩種方式有一定局限性，因此在新階段的研究中更加注重低能耗、高效益的工作方式。機(jī)床內(nèi)部較為復(fù)雜，結(jié)構(gòu)特殊，同時(shí)還有大量的部件，對各個部件進(jìn)行有效控制十分困難，耗資也多。另外，機(jī)床的工作環(huán)境也并非一成不變，這就對降低熱誤差帶來了更高的難度。

2.2 誤差補(bǔ)償技術(shù)

誤差補(bǔ)償技術(shù)在實(shí)際使用中有十分明顯的效果，得到了人們的廣泛認(rèn)可，對降低熱誤差具有重要的意義。誤差補(bǔ)償技術(shù)主要分為直接補(bǔ)償和間接補(bǔ)償這兩類。

直接補(bǔ)償一般通過間接測量以及補(bǔ)償位移大小進(jìn)行補(bǔ)償，技術(shù)人員如果想要知道道具的位置，僅需要通過工件上的傳感器進(jìn)行測量，雖然直接補(bǔ)償?shù)氖褂貌⒉焕щy，但是會停止切削過程，降低工作效率。不同于直接補(bǔ)償，簡介補(bǔ)償需要知道設(shè)計(jì)熱誤差模型以及傳感器反饋數(shù)值來明確實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行誤差補(bǔ)償。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及其他控制方法

有限元分析技術(shù)是一種先進(jìn)的技術(shù)，對各方面的發(fā)展都有有效的參考和幫助。通過這種技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在機(jī)床設(shè)計(jì)中越來越注重機(jī)床的綠色設(shè)計(jì)、系統(tǒng)動態(tài)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面。

近些年來新型材料不斷產(chǎn)生，對其他行業(yè)的發(fā)展也帶來了推動作用。譬如可以將花崗巖用于機(jī)床床身，而陶瓷軸承、磁力軸承及氣體靜壓軸承等可改善接觸條件，降低接觸熱產(chǎn)生，提高轉(zhuǎn)動精度。通過對機(jī)床使用過程和加工過程的相互作用研究，溫差對其使用精度影響較大，可以采用優(yōu)化加工順序和加工參數(shù)來減少熱變形的產(chǎn)生。

3 熱誤差補(bǔ)償技術(shù)存在的問題

近些年來，由于科技的進(jìn)步和創(chuàng)新，熱誤差補(bǔ)償技術(shù)相對于過去已經(jīng)有了較大的提升，解決了部分機(jī)床的熱誤差問題。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一部分生產(chǎn)問題仍然沒有得到改善，在應(yīng)用中還存在諸多不便。對于一些高質(zhì)量的加工場合，對國外高端機(jī)床有很大的依賴，我國機(jī)床的熱誤差補(bǔ)償技術(shù)仍然無法機(jī)型批量生產(chǎn)使用。

一些熱誤差產(chǎn)生的特征是重要的參考內(nèi)容，但是對其進(jìn)行測量和辨識會耗費(fèi)大量資源，機(jī)床在工作中周圍環(huán)境的變化是熱誤差的一方面因素，同時(shí)，加工工況、切削參數(shù)以及工作時(shí)長也是熱誤差的影響因素。

機(jī)床在工作過程中的環(huán)境溫度一般都在不斷變化，如果要建立熱誤差補(bǔ)償模型，就只能建立某個溫度范圍的模型，在其他溫度狀態(tài)下，相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型就不再適用。

4 結(jié)語

綜上所述，機(jī)床是工業(yè)生產(chǎn)的重要部分，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要的意義。為了有效降低機(jī)床的熱誤差，提升機(jī)床的加工精度，就必須要充分了解機(jī)床熱誤差產(chǎn)生的因素，從這些因素入手，采用誤差避免技術(shù)、誤差補(bǔ)償技術(shù)研究優(yōu)化設(shè)計(jì)其他控制方法，進(jìn)而改善機(jī)床的質(zhì)量，保證機(jī)床工作效率，為工業(yè)生產(chǎn)提供根本保證。

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