五軸數控機床的結構特點及熱源分析

謝晨琳

[摘? ? 要]文章針對五軸數控機床熱分析復雜問題，以某立式五軸數控機床為研究對象，首先，從機床結構方面詳細分析了機床熱誤差產生的原因并綜合講述了五軸機床中熱的主要來源;其次，對五軸機床各熱源的產熱原理進行了詳細的分析;最后，通過主要發熱零部件產生熱量的對比，分析出機床各部件中的熱源關鍵部件。為有針對性地實施機床熱控制，從而實現機床加工精度提高提供理論基礎和技術支撐。

[關鍵詞]五軸數控機床;結構;熱源

[中圖分類號]TG659 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2021）05–00–02

Structural Features and Heat Source Analysis Methods of Five-axis CNC Machine Tools

Xie Chen-lin

[Abstract]In response to the problem of thermal experimental data in the process of cherishing machinery， it is difficult to obtain， difficult to perform hot characteristic analysis， and propose a comprehensive finite element analysis model for considering electric sponsors and heat and heat dissipation， using finite element analysis methods to get hot The temperature field distribution map can provide theoretical basis and data support for temperature control and thermal analysis of the CNC machine. It provides theoretical foundation and technical support for the targeted implementation of machine tool thermal control， so as to improve the machining accuracy of machine tools.

[Keywords]five-axis CNC machine tool; structure; heat source

五軸數控機床是復雜零件加工的重要設備，隨著制造業對加工精度要求的逐漸提高，影響五軸數控機床加工精度的因素已不容忽視。其中，熱誤差是影響機床加工精度的主要因素，可占機床總加工誤差的30%左右。五軸機床主要材質為金屬，由于金屬具有熱脹冷縮的固有特性。在數控機床對工件進行加工時，其內外熱源會讓機床局部溫度升高，金屬部件受熱膨脹，產生熱變形，所引起的刀尖點的實際位置與理想位置之間的偏差稱為熱誤差[1]。各個運動部件受熱產生熱變形的變形量與各部件產熱量息息相關，數控機床結構上的差異導致機床各部件產熱量及熱量傳遞形式不同[2];同時，不勻均的機床溫度場同樣會加劇機床熱變形，因此分析五軸數控機床的熱誤差的前提是對五軸數控機床的結構及內外熱源進行研究。

1 五軸機床結構分析

某立式五軸數控機床結構如圖1所示，其主要組成包括：x/y/z向導軌、x/y/z向滑塊、B軸擺軸、C軸轉臺、床身、主軸。因為鑄鐵具有熱傳導系數小、熱膨脹系數小、強度高等優點，因此床身及主要零部件均使用鑄鐵制造，機床主要性能參數見表1。

機床熱源根據其來源不同主要分為外部熱源和內部熱源。五軸數控機床與普通三軸數控機床相比，在安裝條件、運行環境相同的情況下，由于外部環境相同，因此機床受外部熱源的影響類型基本相同。由機床結構分析可知，五軸數控機床在三軸數控機床的基礎上增加了兩個旋轉軸，因此五軸數控機床的內部熱源更為復雜。

圖1所示五軸數控機床的五個運動軸均由驅動電機帶動，電機運行時會產生熱量[3]，機床主軸為電主軸，具有傳動比穩定、結構緊湊等特點，但由于主軸直接與電機輸出連接，電機高速運轉產生的熱量直接傳遞到主軸端，即使在目前一些主流機床設備中配備了主軸冷卻系統，但當主軸高速旋轉時，冷卻系統仍無法完全帶走軸承摩擦和定轉子轉動所產生的熱量。直線運動是通過電機驅動絲杠在導軌上滑動，因此絲杠、軸承和導軌會摩擦生熱;五軸數控機床比三軸機床多兩個旋轉軸，其軸承摩擦會產生熱量，并且B擺軸和Z軸之間、C轉臺與床身之間相互摩擦同樣會產生熱量;在實際切削過程中，切削液能帶走部分熱量，殘留的切削熱會通過刀具、鐵屑以及冷卻液傳遞到主軸和工作臺上，從而導致機床熱誤差的增大[5]。因此五軸數控機床在運行過程中存在更多的熱源，這些存留在數控機床中的熱量會引起刀尖點相對于工件切削成型點發生偏移。綜合上述分析，機床的熱源及熱變形機理如圖2所示。

2 機床各主要發熱運動部件的產熱原理

2.1 電主軸的產熱原理

五軸數控機床使用的是混合電主軸，電主軸主要結構包括：無刷電機、高精度軸承、主軸冷卻機構、鎖刀和松刀機構、殼體等[4]。其中，無刷電機作為主軸的驅動裝置，在機床加工過程中，電機高速運轉，電機的轉子和定子會產生大量熱量;軸承為主軸的主要支撐裝置，在主軸高速運轉的過程中，軸承的內圈與滾子、滾子與軸承外圈之間會產生摩擦，從而產生大量熱量傳遞到主軸上;主軸冷卻系統為散熱結構，其主要功能為帶走主軸系統中的熱量，因此不計冷卻系統所產生的熱量;鎖刀和松刀機構的主要功能是在五軸加工中心換刀過程中實現刀具的鎖止與放松，只在換刀時運動，為間歇性運動，每次的運動范圍不大，因此鎖刀和松刀機構所產生熱量較少，對機床的影響可忽略不計;殼體的主要功能是保護主軸系統，防止空氣中的灰塵等雜質進入主軸箱，從而保證主軸處于一個較良好的運動環境，其本身不產生熱量;電主軸構造復雜，密封性好，主要發熱源為驅動電機定子、轉子發熱和前后軸承摩擦生熱，熱量難以通過冷卻系統完全散失，剩余的熱量共同影響電主軸內部部件，傳熱過程可以簡化為主軸冷卻系統帶走部分熱量，剩余熱量通過熱傳導傳遞到主軸上，最終影響到軸端位移。

2.2 平動軸的產熱原理

該五軸數控機床平動軸是通過滾珠絲杠傳動，絲杠兩端各有一個滾動軸承和軸承座。在平動軸運動系統中產熱的3個主要熱源為驅動電機、滾珠絲杠摩擦以及軸承摩擦，驅動電機通過皮帶輪帶動絲杠轉動，通過滾珠絲杠機構將旋轉運動轉換成直線運動，從而實現平動軸的移動。驅動電機在運行時會產生熱量，但驅動電機與絲杠之間通過皮帶輪連接，皮帶的主要材質為天然膠和聚酯線繩，導熱性能較差，因此，電機通過V帶傳遞到絲杠的熱量較小，可忽略不計，電機所產生的熱主要傳遞到空氣中。在平動軸進行進給時，滾珠絲杠中，螺母在絲杠上來回運動，相互摩擦，產生大量摩擦熱;滾珠絲杠兩端由滾動軸承支撐，絲杠轉動的同時帶動軸承在軸承座上轉動，產生大量摩擦熱。綜合上述分析，在平動軸運動系統中主要的熱源是螺母與絲杠之間的摩擦熱以及絲杠兩端的軸承摩擦熱，其中小部分熱量通過熱對流和熱輻射傳遞到周圍空氣中。

2.3 導軌的產熱原理

導軌系統是數控機床進給系統中的重要組成部分，其中滑臺與平動軸的螺母固定連接，絲桿的軸承座與導軌固定連接，平動軸驅動電機驅動絲桿轉動，絲桿上的螺母在絲桿上實現直線運動，螺母與滑臺固連，實現滑臺在導軌上的滑動，從而實現平動軸的直線切削進給。當滑臺在導軌上來回滑動時，由于接觸面積大、正壓力大且運動頻繁，因此滑臺與導軌之間會產生摩擦熱，且是導軌發熱的主要熱量來源。

2.4 旋轉軸的產熱原理

由圖1的機床結構分析可以看出，機床中除了3個平動軸還有兩個旋轉軸，分別為繞Z軸旋轉的C轉臺和繞Y軸旋轉的B擺軸。C轉臺可實現繞Z軸的360°回轉運動，B軸的運動范圍為0～110°，由于旋轉軸的功能主要是實現在一次裝夾狀態下，改變工件與刀具之間的相對位姿，從而改變刀具對工件的切削角度。旋轉軸的旋轉運動是通過驅動電機直接驅動，在電機運行過程中電機轉子和定子會產生熱量，傳遞到機床床身;同時，旋轉軸轉動時，在旋轉軸和與之相連的機床組件之間相接觸，會存在摩擦生熱的現象，因此旋轉軸的主要熱源為驅動電機產熱以及旋轉軸和與之相連的機床組件之間的摩擦生熱。

3 五軸數控機床熱源整體分析

通過各零部件的發熱計算，可得到主要發熱運動部件發熱量的占比，如圖3所示。從圖3中計算結果可以看出五軸數控系統主要熱源中電主軸的發熱量最大，導軌系統的發熱量最低。但在實際加工過程中，伴隨著換刀等輔助動作，導軌和滑臺產生相對運動，導軌的發熱量也會有所增加。結合對熱源的定量計算及占比分析，得到機床內主要運動部件產生熱源的大小的次序為電主軸、絲杠、旋轉軸和導軌。這些熱源所產生的熱量傳遞到機床的零部件上是零部件發生熱膨脹，從而導致機床刀尖點偏離工件的理想切削點，形成熱誤差，影響機床加工精度。

4 結語

五軸數控機床是加工復雜零部件的重要設備，其加工精度受機床溫度影響較大，針對五軸數控機床結構復雜、熱源繁多的問題，首先從機床結構上分析機床熱的來源，其次根據數值計算方法對各熱源的產熱量進行計算，最后通過數值計算結果進行比較，排列出機床各部件產熱量的大小次序為電主軸、絲杠、旋轉軸和導軌。此熱源分析可拓展到其他類型的機床型號，可為有針對性地實現機床熱控制提供理論基礎和技術支撐。

參考文獻

[1] 楊建國，范開國，杜正春.數控機床誤差實時補償技術[M].北京：機械工業出版社，2013.

[2] 張毅，楊建國.基于灰色神經網絡的機床熱誤差建模[J].上海交通大學學報，2011，39（3）：81-84.

[3] 劉獻禮，宋厚旺，吳石，等.雙轉臺五軸數控機床主軸熱誤差測量與建模[J].哈爾濱理工大學學報，2019，24（6）：1-10，171.

[4] 張雪亮.新型高速電主軸軸承-軸芯熱場分布規律與試驗研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學，2019.

[5] 郭前建，徐汝鋒，賀磊，等.基于逐步回歸的機床溫度測點優化及熱誤差建模技術[J].制造技術與機床，2015（12）：89-92.