熱變(biàn)形(xíng)是影響機床加工精度的(de)原因之一。機床(chuáng)受到車間(jiān)環境溫度變化、電動機發熱和機械(xiè)運動摩擦發熱、切削熱以及冷(lěng)卻介(jiè)質的影響,會導緻機床各部(bù)的溫升不均勻,導緻機床(chuáng)形态精度及加工(gōng)精度的變化。比如,在一台普通精度的數控銑床上加工70mm×1650mm的螺(luó)杆,上午7:30-9:00銑削的工件與下午2:00-3:30加工的工件相比(bǐ),累積誤差的變(biàn)化(huà)可達85m。而在恒(héng)溫的條件下,誤(wù)差可以減小到40m。
再比如,一台(tái)用于雙端面磨削0.6~3.5mm厚的薄鋼片工(gōng)件的精密雙端面磨床(chuáng),在(zài)驗收(shōu)時加(jiā)工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到mm的尺寸精度,彎曲度在全長内小于5m。但連續自動磨削1h後,尺寸變化(huà)範圍增大至12m,冷卻液溫(wēn)度由開機時的(de)17℃上升到(dào)45℃。由于磨削(xuē)熱的影響,導緻主軸軸頸伸長,主軸(zhóu)前軸承間隙增大。據此,為該機床冷卻液箱添加一台5.5kW制冷機,效果十分理(lǐ)想。實踐證明,機床受熱後的變形(xíng)是影響加工精(jīng)度的重要原因。但機(jī)床是處在溫度随時(shí)随處變化(huà)的環境中;機床本身在工作時必(bì)然會消(xiāo)耗能(néng)量,這些能量的相當一部分會以各種方式轉化為熱(rè),引起機床各(gè)構件的物理(lǐ)變化,這(zhè)種變化又因為(wéi)結構形式的不同(tóng),材(cái)質的差異等原因而千差萬别。機(jī)床設計師應掌握熱的(de)形成機理和溫(wēn)度分布規律,采(cǎi)取相應的措施,使(shǐ)熱變形對加工精度的影響縮減到最低。
我們國家幅員遼闊,大部分地區處于亞熱(rè)帶地(dì)區,一年四季的(de)溫度變化較大(dà),一天(tiān)内溫差變化也不一樣(yàng)。因此,人們對室内(如車間)溫度的幹預的方式和(hé)程度也不同,機床周圍的溫度(dù)氛圍千差萬别。舉個例子,長三角地區(qū)季(jì)節溫度變化範圍約(yuē)45℃左(zuǒ)右,晝夜溫度(dù)變化約5~12℃。機加工車間一般(bān)冬天無供熱,夏天無空調,但隻要車間通風較(jiào)好,機加工車間(jiān)的(de)溫度梯度變化不大。而東北地區,季節(jiē)溫差可達(dá)60℃,晝夜(yè)變化約8~15℃。每年10月下旬至次(cì)年4月初為(wéi)供暖期(qī),機加工車間的設計有(yǒu)供暖(nuǎn),空氣流通不足(zú)。車間内(nèi)外溫差可達50℃。因此車間内冬季的(de)溫度梯度十分(fèn)複雜,測量時室外溫度1.5℃,時(shí)間為上午(wǔ)8:15-8:35,車間内溫(wēn)度變(biàn)化約3.5℃。精密機床的加(jiā)工精度在這樣(yàng)的車(chē)間内受環境溫度影響将是(shì)很大的(de)。
究竟是哪些原因,影響着機床(chuáng)近距離範圍内各種布局(jú)形成的熱環境呢?
主要包括以下4個(gè)方面:
1)車間(jiān)小氣候:如車間内溫(wēn)度的分布(bù)(垂直方向、水平方向)。當晝夜交(jiāo)替或氣候以及通風(fēng)變化時車間溫度均會(huì)産生緩慢變化。
2)車間熱源:如太陽照射、供暖設(shè)備和大功率照明燈(dēng)的(de)輻射等,它們離機床較(jiào)近時可直接長時間影響機(jī)床整體或(huò)部分部(bù)件的溫升。相鄰設備在運行(háng)時産生的熱量會以幅射或空氣流動的方式(shì)影響機床溫升。
3)散熱:地基有較好的散熱(rè)作用,尤(yóu)其是精密機床的(de)地基切忌(jì)靠近地下供熱管道,一旦破裂洩漏時,可能(néng)成為一個難以找到原(yuán)因的熱源;敞開的車間将是一個很好的“散熱器”,有利于車間溫度均衡。
4)恒(héng)溫:車間采取恒溫設施(shī)對精密機床保持精度和加工精度是很有效(xiào)果的,但能耗(hào)較大。
機床内部熱(rè)影響因素
1)機床結構性熱源。電動機發熱如主軸電動機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電動機、電控箱等均可産生熱量。這(zhè)些情況對(duì)電動機本身來說是允許的,但對于主軸、滾珠(zhū)絲杠(gàng)等元器件則(zé)有重大不利影響(xiǎng),應采取措施予以隔離。當輸入電能驅動電動機運轉時,除了少部分(約20%左右)轉(zhuǎn)化為電動機熱能外,大部分将由運動(dòng)機構轉化為動能,如主軸(zhóu)旋轉、工作(zuò)台運動等;但不可避免的仍有(yǒu)相當部分在運動過(guò)程中轉化(huà)為摩(mó)擦發熱,例如軸承、導軌、滾珠絲(sī)杠和傳動箱等機(jī)構發熱(rè)。
2)工藝過程(chéng)的切削熱。切削過程中刀具或工件的動能一部分消耗于切(qiē)削功,相當一(yī)部分則轉化切削的變形能(néng)和切屑與刀具間的(de)摩擦熱,形成刀具、主(zhǔ)軸和工件發熱,并由(yóu)大(dà)量切屑熱傳導給機床的工作台夾具(jù)等部件。它(tā)們将直接影響刀具和工件(jiàn)間(jiān)的相對位置。
3)冷卻。冷卻是針對機床溫度升高的反向措施(shī),如(rú)電動機冷卻、主軸部件冷卻以及(jí)基礎結構(gòu)件冷卻等。高端機床往往對電控箱配制冷機,予以強迫冷卻。
機床的結構形态(tài)對溫升的影響在機床熱變形領域讨論機床結構形态,通(tōng)常指結構形式、質量分布、材料性能和熱源分布(bù)等問題。結構形态影響機床的溫度(dù)分布、熱量的傳導方向、熱(rè)變形方向(xiàng)及匹配等。
1)機床的結構形(xíng)态。在總體結構(gòu)方面,機床有立(lì)式、卧式、龍(lóng)門式和懸臂式等,對(duì)于熱(rè)的響應和穩定(dìng)性均有較大差(chà)異。例如齒輪變速的(de)車床主軸箱的溫升可高達35℃,使主軸端上擡,熱平衡時間需2h左右。而(ér)斜床身式精密車銑(xǐ)加(jiā)工中心(xīn),機床有一個穩定的底座。明顯(xiǎn)提高了整(zhěng)機剛度,主軸(zhóu)采用伺服電動機驅動,去除(chú)了齒輪傳(chuán)動部分,其溫升一般小于15℃。
2)熱源分布的影(yǐng)響。機床上通常認為(wéi)熱源(yuán)是指電動機(jī)。如主軸電動機、進(jìn)給電動機和液壓系統等,其實是不完全的。電動(dòng)機的發熱隻是在承擔(dān)負荷時,電流消(xiāo)耗在(zài)電樞阻抗上(shàng)的能量,另有相當(dāng)一部分能量消耗于軸承、絲杠螺母(mǔ)和導軌等機構的摩擦功引(yǐn)起的發熱(rè)。所以可把電動機(jī)稱為一次熱源,将軸承、螺母、導(dǎo)軌和切屑稱之為二次熱源。熱變形則是所有這些熱源(yuán)綜合影響的結果。一(yī)台(tái)立柱移(yí)動式立式加工(gōng)中心在Y向(xiàng)進給運動中溫升和變形情(qíng)況。Y向進(jìn)給時工作台未作運動(dòng),所以對X向的熱變形影響很小。在立柱(zhù)上,離Y軸的(de)導軌絲杠越遠的點,其溫升越小。該機在Z軸移動時(shí)的情況則更進一步說明了熱源分布對熱變形的影響(xiǎng)。Z軸進給離X向更遠,故熱變(biàn)形影響更(gèng)小(xiǎo),立柱上離Z軸電動機螺母越近,溫升及變形也越大。
3)質量分布的影響。質量分布對機床熱變形的影響有三方面。其一,指質量大小與集中程度,通常指(zhǐ)改變熱容量和熱傳遞的速度,改變達到熱(rè)平衡的時間
其二(èr),通過改變質量的布置形式,如各種筋闆(pǎn)的布置,提高(gāo)結構的熱剛度,在同樣溫升的情況下,減小熱(rè)變形影響或保持相對(duì)變形較小;
其三,則指(zhǐ)通(tōng)過改變(biàn)質量布置的形(xíng)式,如在結構外部布置散熱筋闆,以降低機床(chuáng)部件的溫升。
材料性能的影響:不同的材料有(yǒu)不同的熱性能參數(比熱、導熱率和線膨脹系數),在同樣熱量(liàng)的影響下,其溫升、變形均有不同。
機床熱性能的測試
1、機床熱性能測試的目(mù)的控制機床(chuáng)熱變形的關鍵是通過(guò)熱特性測試,充(chōng)分了解機床所處的(de)環境(jìng)溫度的變化,機床本身熱源及溫度(dù)變化以及關鍵點的響應(變形位移)。測試數據或曲線描述一(yī)台(tái)機床熱特性,以便采取對策,控制(zhì)熱變形,提高機床的(de)加工精度和效率。
2、機床熱變形測試的原理熱變形(xíng)測試首先需要測(cè)量若幹(gàn)相關點的(de)溫度,包含以下(xià)幾方面:
1)熱源:包括各部分進給電動機、主軸電動機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、導軌、主軸軸承。
2)輔助裝置:包括液壓系統、制冷機、冷卻和潤滑位(wèi)移檢測系統(tǒng)。
3)機械結構:包括床身、底座、滑闆、立柱和銑頭箱體和主軸。在主軸和回轉工作台之間夾持有铟鋼測棒,在X、Y、Z方(fāng)向配置了5個(gè)接觸(chù)式傳感器(qì),測量在(zài)各種(zhǒng)狀态下的綜合變形,以模拟刀具和工(gōng)件間的相對位移。
3、測試數(shù)據處理分析機(jī)床熱變形試驗要在一個較長(zhǎng)的連續時間内進行,進行連續(xù)的數據記錄,經(jīng)過分析處理,所(suǒ)反映的熱(rè)變形特性可靠性很高。如果通過多次試驗(yàn)進行誤差剔除,則所顯示的規律性是可信(xìn)的(de)。主軸系統(tǒng)熱變形試驗中共設置了5個測量點,其(qí)中點1、點2在主軸端部和靠近主軸軸承處,點4、點5分别(bié)在銑頭殼體靠(kào)近Z向導軌處。測試時間共持續了14h,其中前10h主軸轉速分别在0~9000r/min範圍内交(jiāo)替變速,從第10h開始,主軸(zhóu)持續以9000r/min高速旋轉。
因此(cǐ),我(wǒ)們可以得出以下結(jié)論:
1)該主軸的熱平衡時間(jiān)約1h左右,平衡後溫升(shēng)變化範圍1.5℃;
2)溫升(shēng)主要來(lái)源于主軸軸承和主軸電動(dòng)機,在正常(cháng)變速範圍内,軸承的熱态性能良好;
3)熱變形在X向影響很小;
4)Z向(xiàng)伸縮變形較大,約10m,是由主軸的熱伸(shēn)長(zhǎng)及(jí)軸承間隙增大引起(qǐ)的;
5)當轉速(sù)持續在9000r/min時,溫升急劇上升,在2.5h内急升(shēng)7℃左右,且有繼續(xù)上升的(de)趨勢,Y向和Z向(xiàng)的變形達到了29m和37m,說明該主軸在(zài)轉速為(wéi)9000r/min時已不能穩定運行,但可以短(duǎn)時間内(20min)運行。機床熱變形的控制由以上分析讨論(lùn),機床的溫升和熱變形對(duì)加工精度的影響因素多種多樣,采取控制措(cuò)施時,應抓住主要矛盾,重點采(cǎi)取一、二項措施,取得事半(bàn)功倍的效果。在設(shè)計中應從4個方向(xiàng)入手:減少發熱,降低溫(wēn)升,結構平衡,合理冷卻(què)。