數控機床熱設計技術分析

摘要：對數控機床的熱設計技術展開了研究，包括熱鏡像結構設計、冷卻散熱方式設計、電氣系統熱變形補償等，可保證機床的熱穩定性，進一步提高機床加工精度。

關鍵詞：機床熱設計;熱鏡像結構設計;機床冷卻;熱變形補償

0 引言

近年來我國機床制造業不斷發展，數控機床的加工精度得到了很大提高，但是數控機床在可靠性、精度保持性、熱穩定性等方面還有待提高。其中，熱穩定性是影響機床精度的關鍵因素。很多數控機床在加工高精度零件時，設備本體達不到熱穩定要求，受車間溫度變化、主軸旋轉發熱、導軌摩擦生熱、電機散熱等因素影響，機床加工點位置不斷無規律地偏離程序預設的坐標點，致使工件加工不合格甚至報廢。本文主要分析數控機床的熱設計技術，包括機床設計制造中應用的熱鏡像結構、熱補償方法等，通過保證機床的熱穩定性，進一步提高機床加工精度。

1 機床熱設計技術

金屬材料有熱脹冷縮的特性，溫度每變化1 ℃，鋼鐵長度就變化11.7 μm/m。在設計階段減少機床熱誤差影響，從根本上提高機床的熱態特性尤為重要[1]。機床開機運行后，零部件溫度逐漸升高，尺寸隨溫度變化而變化，此時機床的加工精度不穩定，當零部件發熱量和散熱量達到平衡時，機床精度才趨于穩定。但有些機床由于設計、制造方面的原因，無法達到熱平衡狀態，致使機床始終達不到穩定的加工精度。

2 采用熱鏡像結構

機床在運轉過程中發熱是不可避免的，應該盡量做到使熱變形量有規律、可控制，熱變形按照預估的方向發展，為后續的電氣系統熱補償奠定基礎。熱鏡像結構是接受熱、控制熱的典型結構，熱鏡像追求機床主體結構的完全鏡像，即以包含加工點的基準截面，將機床的基礎零件和熱源進行完全的鏡像布置。機床的熱鏡像結構如圖1所示，基礎零件床身、立柱、主軸箱、工作臺等都是相對基準截面的鏡像結構，進給電機X1、X2、Y1、Y2、Z1作為主要發熱源，也是相對基準截面鏡像布置的。尤其是進給電機X1、X2的布置，在同一根進給絲杠兩端布置同樣結構的電機，實現了機床結構和熱源的完全鏡像，結構較為先進。采用熱鏡像結構，機床受熱源影響發生形變后，加工點仍在鏡像基準截面內，熱變形對機床精度變化影響較小。

3 采用適當的機床冷卻方式

3.1? ? 主軸冷卻

主軸是機床的關鍵部件。由于主軸最接近切削點的位置，其精度變化對加工精度的影響最大。主軸高速旋轉過程中，熱源主要來自主軸軸承的滾動摩擦，發熱使軸承發生形變，進而影響主軸精度，降低軸承使用壽命。通常簡單的機床冷卻方式是對主軸軸承外環進行冷卻，因為外環不旋轉，所以結構較為簡單，但其冷卻效果并不理想。正確的機床冷卻方式應該是通過主軸本體對軸承內環進行循環冷卻，使主軸和軸承內環不再膨脹，軸承保持良好的預壓狀態，同時對軸承進行合理潤滑，減少摩擦生熱，保持主軸溫度恒定。但由于對軸承內環進行冷卻結構較為復雜，在國內機床中應用較少。在對軸承冷卻的同時，也應該重視主軸箱體的設計，其要有足夠的熱剛度，具有良好的散熱結構。

3.2? ? 進給系統冷卻

典型的進給系統通常包括電機、減速機、絲杠、軸承等零件，其冷卻方式也是從這幾部分展開研究。電機通常有自然冷卻、風冷、水冷等結構;減速機可以自帶冷卻泵進行冷卻;絲杠有中空結構[2]，可以用冷卻介質循環冷卻;軸承則采用合理的潤滑結構，同時對軸承座進行循環冷卻。機床進給系統的循環冷卻如圖2所示，冷卻介質從遠離電機端的軸承座接入，對滾珠絲杠軸承外環進行循環冷卻后，經配流環進入絲杠中心的冷卻孔，流至絲杠另一端，再經配流環進入靠近電機端的軸承座，對滾珠絲杠軸承循環冷卻后，回到溫控裝置，降溫后繼續循環對進給系統進行冷卻，根據溫度傳感器的反饋，使進給系統保持與機床基礎零件相同的溫度。使用此種冷卻方式時，注意冷卻介質的接入點應遠離電機端的軸承座，這樣不會使電機端的熱量傳至進給系統下游。但此種方式由于滾珠絲杠中心的冷卻孔加工比較困難，不適合長行程的進給系統。對于長行程進給系統中使用的齒輪-齒條傳動，通常不進行冷卻，只對齒輪-齒條做充分潤滑。

3.3? ? 機床基礎零件及加工環境的冷卻

在機床基礎零件中設計循環系統，接入冷卻介質，由溫控裝置帶動冷卻介質對機床本體進行循環冷卻，使基礎零件的溫度保持恒定，同時在機床外圍增加由隔熱材料制造的熱平衡防護罩，可以隔絕外部環境溫度變化對機床的影響，熱平衡防護罩使機床的加工環境形成一個獨立的空間，在此環境中接入空調系統，調控溫度，保持加工區域溫度恒定，使機床加工精度保持穩定。

3.4? ? 切削熱控制

刀具直接參與切削，切削過程中的發熱不可避免，刀具、工件、主軸都隨溫度的升高，精度發生改變。切削過程中根據工況不同，采用不同的冷卻方式，如刀具內冷、外冷的冷卻方式，使切削產生的熱量被冷卻液帶走，一方面可以保護刀具，另一方面可以減少切削熱產生的熱變形。同時，使用適當的排屑裝置，如機床常用的鏈板式排屑器、螺旋式排屑器、風力除屑裝置等，使溫度較高的切屑快速移除出加工區域，降低對機床精度的影響，使熱變形保持在可控范圍內。

4 電氣系統對熱變形的補償

除采用合理的結構和冷卻系統外，電氣系統對熱變形的補償對于保證機床的熱穩定性至關重要。采用專業的軟件系統及傳感器，采集機床主要零件，如主軸、滑枕、立柱、床身等的熱變形數據，建立熱誤差模型進行系統分析和補償。原點平移熱誤差補償法是目前常用的熱位移補償方法。原點平移補償法原理是熱誤差補償控制器計算機床的熱誤差，這些誤差量作為補償信號被送至CNC控制器，然后通過CNC控制系統中PLC的I/O口平移參考原點，以此實現熱誤差量的補償[3]。

5 結語

在數控機床設計過程中，需要加強對熱設計的重視。在機床結構方面，可采用熱對稱結構;在溫度控制方面，可采用合理的冷卻、散熱、排屑等方式。機床從生熱到產生形變，過程非常復雜，其熱變形補償也非常復雜且重要，熱變形補償是提高數控機床加工精度的關鍵技術，應對此做進一步研究，形成系統的理論方法應用到數控機床設計領域。

[參考文獻]

[1] 鄧小雷，林歡，王建臣，等.機床主軸熱設計研究綜述[J].光學精密工程，2018，26（6）：1415-1429.

[2] 高建民，史曉軍，許艾明，等.高速高精度機床熱分析與熱設計技術[J].中國工程科學，2013，15（1）：28-33.

[3] 傅建中，姚鑫驊，賀永，等.數控機床熱誤差補償技術的發展狀況[J].航空制造技術，2010（4）：64-66.

收稿日期：2020-06-08

作者簡介：李國志（1981—），男，黑龍江齊齊哈爾人，工程師，研究方向：金屬切削機床設計。