數控機床熱設計技術分析

馬鵬霄 石永珊 王聰偉

摘 要：近年來，隨著我國數控機床加工制造的不斷發展，數控機床的加工精度得到了很大的提高，但是在可靠性，精度維護和耐熱性方面還需要提高。本文對數控機床的熱設計技術進行細致分析，包括熱鏡系統的整體設計，冷卻和散熱方法的設計以及電氣系統的熱變形補償，以確保數控機床的耐熱性，進一步提高了機床的加工精度。

關鍵詞：機床熱設計;熱鏡像結構設計;機床冷卻

耐熱性是影響數控機床精度的主要條件。當許多數控機床生產和加工高精度零件時，機械設備本身無法滿足熱穩定性法規，它們受生產車間溫度變化，主軸軸承熱旋轉，滑軌摩擦熱和電機除熱等因素的影響。連續不規則地偏移程序流程的預設坐標點，導致產品工件的生產和加工質量下降甚至損壞。本文重點分析了數控機床的熱設計技術，包括熱鏡系統結構和數控機床生產中使用的熱補償方法的設計方案等，以進一步提高數控機床的加工精度，以確保數控機床的耐熱性。

一、機床熱設計技術

金屬復合材料具有熱膨脹和冷收縮的特性。溫度每變化1℃，鋼的長度就變化11.7μm/ m。在減少數控機床熱偏差的設計中，從源頭上改善數控機床的熱特性非常重要。數控機床開始運行后，零件的溫度緩慢升高，規格隨溫度變化而變化時，數控機床的加工精度不穩定。當零件的熱值和熱容量達到平衡時，數控機床的精度將保持穩定。但是，由于設計方案和制造水平的原因，某些數控機床無法實現熱循環，這導致數控機床無法始終實現平滑的加工精度。

二、采用熱鏡像結構

在整個操作過程中，數控機床不可避免地會變熱。有必要確保熱變形是規律的和可操縱的，并且熱變形符合預測的發展趨勢，為后續的電路系統熱補償奠定基礎。熱鏡系統的結構是典型的接受熱量和操縱熱量的結構。熱鏡系統為完善的數控機床的主要工程追求全面的鏡系統。它包括加工廠的標準橫截面，并徹底開發了數控機床的基本零件和熱原。數控機床的熱鏡系統結構如圖1所示。基本部件，床身，立桿，主軸軸承箱和工作臺都是相對標準橫截面的鏡系統結構，并且刀架電機X1，X2，Y1，Y2和Z1是主要的發熱體，它們也布置在相對標準橫截面的鏡面系統中。特別是進給電機X1和X2的布局，具有相同結構的電機布置在同一進給滾珠絲杠的兩側，實現機床結構與熱源的完全鏡像，結構較為先進。利用熱鏡像結構，熱源影響機床發生形變后加工點依舊處于鏡像基準的截面之中，機床精度變化受熱變形的影響較小。

三、采用適當的機床冷卻方式

（一）主軸冷卻

主軸軸承是數控機床的核心部件。由于主軸軸承最靠近鉆孔點，因此其精度變化對加工精度的影響更大。在主軸軸承高速運行的整個過程中，熱原的關鍵來源是機床主軸軸承的滾動摩擦。熱量會使滾動軸承變形，從而損害主軸軸承的精度并縮短滾動軸承的使用壽命。數控機床的一般簡單冷卻方法是對機床主軸軸承的第二回路進行冷卻。由于第二回路不旋轉，因此結構相對簡單，但是實際的冷卻效果并不理想。數控機床的適當冷卻方法應基于主軸軸承本身，以便在滾動軸承的內圈上進行循環系統制冷，以使主軸軸承和滾動軸承的內圈不會膨脹，滾動軸承保持穩定的預應力，并有效潤滑滾動軸承，以減少摩擦和熱量的產生，并保持主軸軸承溫度的穩定性。但是，由于滾動軸承內圈的制冷結構比較復雜，因此在中國的數控機床中很少使用。除了制冷滾動軸承外，還應特別注意主軸軸承箱的設計，主軸箱必須具有足夠的熱彎曲剛度和優良的散熱結構。

（二）機床基礎零件及加工環境的冷卻

在數控機床的基礎部件中設計循環系統，連接制冷材料，溫控裝置促進制冷材料對數控機床本身進行循環系統冷卻，使基礎部件的溫度穩定，并提高了數控機床領域的絕緣材料的生產。熱循環保護罩可以阻止外部工作溫度變化對數控機床的危害。熱循環保護蓋使數控機床的生產和加工的自然環境產生一個單獨的室內空間，空調系統與環境相連，以控制溫度并保持溫度穩定，因此可以長期保持機床的加工精度。

四、電氣系統對熱變形的補償

除了選擇有效的結構和制冷系統外，對電路系統進行熱變形補償對于確保數控機床的耐熱性也特別重要。選擇技術專業的系統軟件和傳感器，收集數控機床關鍵零件的熱變形數據信息，如主軸軸承，柱塞，桿，床身等，并創建熱偏差實體模型，進行結構分析和補償。起點平移轉換熱偏移補償方法是現階段常用的熱偏移補償方法。起點平移轉換補償方法的基本原理是熱偏差補償控制板的電子計算機床的熱偏差。該偏差作為補償數據信號發送至數控控制板，然后根據數控自動控制系統中PLC的I / O端口進行轉換。更改參考起點以完成對熱偏差的補償。

在數控機床的設計過程中，有必要強調熱設計的重要性。在數控機床的結構層次上，可以選擇熱對稱結構。在溫度控制級別，可以選擇有效的冷卻，除熱和研磨方法。數控機床從發熱到變形的整個過程比較復雜，其熱變形補償也更加復雜和關鍵。熱變形補償是提高數控機床加工精度的核心技術。在這個問題上應該做進一步的科學研究，形成系統的理論方法應用到數控機床設計領域。

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