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机床热变形:机理、测量和控制

2012年09月03日 10:34中国机床商务网点击:8995

  1热变形是影响加工精度的原因之一
  
  机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热以及冷却介质的影响,造成机床各部的温升不均匀,导致机床形态精度及加工精度的变化。
  
  例如,在一台普通精度的数控铣床上加工φ70mm×1650mm的螺杆,上午7:30-9:00铣削的工件与下午2:00-3:30加工的工件相比,累积误差的变化可达85μm。而在恒温条件下,则误差可减小至40μm。
  
  再如,一台用于双端面磨削0.6~3.5mm厚的薄钢片工件的精密双端面磨床,在验收时加工200mm×25mm×1.08mm钢片工件能达到mm的尺寸精度,弯曲度在全长内小于5μm。但连续自动磨削1h后,尺寸变化范围增大到12μm,冷却液温度由开机时的17℃上升到45℃。由于磨削热的影响,导致主轴轴颈伸长,主轴前轴承间隙增大。据此,为该机床冷却液箱添加一台5.5kW制冷机,效果十分理想。
  
  实践证明,机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。但机床是处在温度随时随处变化的环境中;机床本身在工作时必然会消耗能量,这些能量的相当一部分会以各种方式转化为热,引起机床各构件的物理变化,这种变化又因为结构形式的不同,材质的差异等原因而千差万别。机床设计师应掌握热的形成机理和温度分布规律,采取相应的措施,使热变形对加工精度的影响减少到最小。
  
  2机床的温升及温度分布
  
  2.1自然气候影响
  
  我国幅员辽阔,大部分地区处于亚热带地区,一年四季的温度变化较大,一天内温差变化也不一样。由此,人们对室内(如车间)温度的干预的方式和程度也不同,机床周围的温度氛围千差万别。例如,长三角地区季节温度变化范围约45℃左右,昼夜温度变化约5~12℃。机加工车间一般冬天无供热,夏天无空调,但只要车间通风较好,机加工车间的温度梯度变化不大。而东北地区,季节温差可达60℃,昼夜变化约8~15℃。每年10月下旬至次年4月初为供暖期,机加工车间的设计有供暖,空气流通不足。车间内外温差可达50℃。因此车间内冬季的温度梯度十分复杂,测量时室外温度1.5℃,时间为上午8:15-8:35,车间内温度变化约3.5℃。精密机床的加工精度在这样的车间内受环境温度影响将是很大的。
  
  2.2周围环境的影响
  
  机床周围环境是指机床近距离范围内各种布局形成的热环境。它们包括以下3个方面。
  
  (1)车间小气候:如车间内温度的分布(垂直方向、水平方向)。当昼夜交替或气候以及通风变化时车间温度均会产生缓慢变化。
  
  (2)车间热源:如太阳照射、供暖设备和大功率照明灯的辐射等,它们离机床较近时可直接长时间影响机床整体或部分部件的温升。相邻设备在运行时产生的热量会以幅射或空气流动的方式影响机床温升。
  
  (3)散热:地基有较好的散热作用,尤其是精密机床的地基切忌靠近地下供热管道,一旦破裂泄漏时,可能成为一个难以找到原因的热源;敞开的车间将是一个很好的“散热器”,有利于车间温度均衡。
  
  (4)恒温:车间采取恒温设施对精密机床保持精度和加工精度是很有效果的,但能耗较大。
  
  2.3机床内部热影响因素
  
  (1)机床结构性热源。电动机发热——如主轴电动机、进给伺服电动机、冷却润滑泵电动机、电控箱等均可产生热量。这些情况对电动机本身来说是允许的,但对于主轴、滚珠丝杠等元器件则有重大不利影响,应采取措施予以隔离。当输入电能驱动电动机运转时,除了有少部分(约20%左右)转化为电动机热能外,大部分将由运动机构转化为动能,如主轴旋转、工作台运动等;但不可避免的仍有相当部分在运动过程中转化为摩擦发热,例如轴承、导轨、滚珠丝杠和传动箱等机构发热。
  
  (2)工艺过程的切削热。切削过程中刀具或工件的动能一部分消耗于切削功,相当一部分则转化切削的变形能和切屑与刀具间的摩擦热,形成刀具、主轴和工件发热,并由大量切屑热传导给机床的工作台夹具等部件。它们将直接影响刀具和工件间的相对位置。
  
  (3)冷却。冷却是针对机床温度升高的反向措施,如电动机冷却、主轴部件冷却以及基础结构件冷却等。高端机床往往对电控箱配制冷机,予以强迫冷却。
  
  2.4机床的结构形态对温升的影响
  
  在机床热变形领域讨论机床结构形态,通常指结构形式、质量分布、材料性能和热源分布等问题。结构形态影响机床的温度分布、热量的传导方向、热变形方向及匹配等。
  
  (1)机床的结构形态。在总体结构方面,机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等,对于热的响应和稳定性均有较大差异。例如齿轮变速的车床主轴箱的温升可高达35℃,使主轴端上抬,热平衡时间需2h左右。而斜床身式精密车铣加工中心,机床有一个稳定的底座。明显提高了整机刚度,主轴采用伺服电动机驱动,去除了齿轮传动部分,其温升一般小于15℃。
  
  (2)热源分布的影响。机床上通常认为热源是指电动机。如主轴电动机、进给电动机和液压系统等,其实是不完全的。电动机的发热只是在承担负荷时,电流消耗在电枢阻抗上的能量,另有相当一部分能量消耗于轴承、丝杠螺母和导轨等机构的摩擦功引起的发热。所以可把电动机称为一次热源,将轴承、螺母、导轨和切屑称之为二次热源。热变形则是所有这些热源综合影响的结果。
  
  (3)质量分布的影响。质量分布对机床热变形的影响有三方面。其一,指质量大小与集中程度,通常指改变热容量和热传递的速度,改变达到热平衡的时间;其二,通过改变质量的布置形式,如各种筋板的布置,提高结构的热刚度,在同样温升的情况下,减小热变形影响或保持相对变形较小;其三,则指通过改变质量布置的形式,如在结构外部布置散热筋板,以降低机床部件的温升。
  
  (4)材料性能的影响:不同的材料有不同的热性能参数(比热、导热率和线膨胀系数),在同样热量的影响下,其温升、变形均有不同。
  
  3机床热性能的测试
  
  3.1机床热性能测试的目的
  
  控制机床热变形的关键是通过热特性测试,充分了解机床所处的环境温度的变化,机床本身热源及温度变化以及关键点的响应(变形位移)。测试数据或曲线描述一台机床热特性,以便采取对策,控制热变形,提高机床的加工精度和效率。具体地说,应达到以下5个目的:
  
  (1)机床周围环境测试。测量车间内的温度环境,它的空间温度梯度,昼夜交替中温度分布的变化,甚至应测量季节变化对机床周围温度分布的影响。
  
  (2)机床本身的热特性测试。尽可能地排除环境干扰的条件下,让机床处于各种运转状态,以测量机床本身的重要点位的温度变化、位移变化,记录在足够长的时间段内的温度变化和关键点位移,也可用红外线热相仪记录各时间段热分布的情况。
  
  (3)加工过程测试温升热变形,以判断机床热变形对加工过程精度的影响。
  
  (4)上述试验可积累大量的数据、曲线,将为机床设计和使用者控制热变形提供可靠的判据,指出采取有效措施的方向。
  
  3.2机床热变形测试的原理
  
  (1)热源:包括各部分进给电动机、主轴电动机、滚珠丝杠传动副、导轨、主轴轴承。
  
  (2)辅助装置:包括液压系统、制冷机、冷却和润滑位移检测系统。
  
  (3)机械结构:包括床身、底座、滑板、立柱和铣头箱体和主轴。
  
  在主轴和回转工作台之间夹持有铟钢测棒,在X、Y、Z方向配置了5个接触式传感器,测量在各种状态下的综合变形,以模拟刀具和工件间的相对位移。
  
  3.3测试数据处理分析
  
  机床热变形试验要在一个较长的连续时间内进行,进行连续的数据记录,经过分析处理,所反映的热变形特性可靠性很高。如果通过多次试验进行误差剔除,则所显示的规律性是可信的。
  
  试验中共设置了5个测量点,其中点1、点2在主轴端部和靠近主轴轴承处,点4、点5分别在铣头壳体靠近Z向导轨处。测试时间共持续了14h,其中前10h主轴转速分别在0~9000r/min范围内交替变速,从第10h开始,主轴持续以9000r/min高速旋转。
  
  (1)该主轴的热平衡时间约1h左右,平衡后温升变化范围1.5℃;
  
  (2)温升主要来源于主轴轴承和主轴电动机,在正常变速范围内,轴承的热态性能良好;
  
  (3)热变形在X向影响很小,约<0.005mm,Y向变形远大于X向,鉴于点4、点5的温升<1℃,说明主轴Y向的变形主要来源于铣头箱体结构,与丝杠和导轨无关联。应改进铣头的铸件结构;
  
  (4)Z向伸缩变形较大,约10μm,是由主轴的热伸长及轴承间隙增大引起的;
  
  (5)当转速持续在9000r/min时,温升急剧上升,在2.5h内急升7℃左右,且有继续上升的趋势,Y向和Z向的变形达到了29μm和37μm,说明该主轴在转速为9000r/min时已不能稳定运行,但可以短时间内(≤20min)运行。
  
(来源:中国数控机床网)
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