時(shí)間:2020-11-02 11:29:25來源:
機(jī)床受到車間環(huán)境溫度的變化、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和機(jī)械運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質(zhì)的影響,造成機(jī)床各部的溫升不均勻,導(dǎo)致機(jī)床形態(tài)精度及加工精度的變化。
例如,在一臺(tái)普通精度的數(shù)控銑床上加工70mm×1650mm的螺桿,上午700銑削的工件與下午230加工的工件相比,累積誤差的變化可達(dá)85m。而在恒溫條件下,則誤差可減小至40m。
再如,一臺(tái)用于雙端面磨削0.6~3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨床,在驗(yàn)收時(shí)加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達(dá)到mm的尺寸精度,彎曲度在全長內(nèi)小于5m。但連續(xù)自動(dòng)磨削1h后,尺寸變化范圍增大到12m,冷卻液溫度由開機(jī)時(shí)的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響,導(dǎo)致主軸軸頸伸長,主軸前軸承間隙增大。據(jù)此,為該機(jī)床冷卻液箱添加一臺(tái)5.5kW制冷機(jī),效果十分理想。
實(shí)踐證明,機(jī)床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因。但機(jī)床是處在溫度隨時(shí)隨處變化的環(huán)境中;機(jī)床本身在工作時(shí)必然會(huì)消耗能量,這些能量的相當(dāng)一部分會(huì)以各種方式轉(zhuǎn)化為熱,引起機(jī)床各構(gòu)件的物理變化,這種變化又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的不同,材質(zhì)的差異等原因而千差萬別。機(jī)床設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握熱的形成機(jī)理和溫度分布規(guī)律,采取相應(yīng)的措施,使熱變形對(duì)加工精度的影響減少到最小。
一、機(jī)床的溫升及溫度分布
1、自然氣候影響
我國幅員遼闊,大部分地區(qū)處于亞熱帶地區(qū),一年四季的溫度變化較大,一天內(nèi)溫差變化也不一樣。由此,人們對(duì)室內(nèi)(如車間)溫度的干預(yù)的方式和程度也不同,機(jī)床周圍的溫度氛圍千差萬別。
例如,長三角地區(qū)季節(jié)溫度變化范圍約45℃左右,晝夜溫度變化約5~12℃。機(jī)加工車間一般冬天無供熱,夏天無空調(diào),但只要車間通風(fēng)較好,機(jī)加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區(qū),季節(jié)溫差可達(dá)60℃,晝夜變化約8~15℃。每年10月下旬至次年4月初為供暖期,機(jī)加工車間的設(shè)計(jì)有供暖,空氣流通不足。車間內(nèi)外溫差可達(dá)50℃。因此車間內(nèi)冬季的溫度梯度十分復(fù)雜,測(cè)量時(shí)室外溫度1.5℃,時(shí)間為上午835,車間內(nèi)溫度變化約3.5℃。精密機(jī)床的加工精度在這樣的車間內(nèi)受環(huán)境溫度影響將是很大的。
2、周圍環(huán)境的影響
機(jī)床周圍環(huán)境是指機(jī)床近距離范圍內(nèi)各種布局形成的熱環(huán)境。它們包括以下3個(gè)方面。
1)車間小氣候:如車間內(nèi)溫度的分布(垂直方向、水平方向)。當(dāng)晝夜交替或氣候以及通風(fēng)變化時(shí)車間溫度均會(huì)產(chǎn)生緩慢變化。
2)車間熱源:如太陽照射、供暖設(shè)備和大功率照明燈的輻射等,它們離機(jī)床較近時(shí)可直接長時(shí)間影響機(jī)床整體或部分部件的溫升。相鄰設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)以輻射或空氣流動(dòng)的方式影響機(jī)床溫升。
3)散熱:地基有較好的散熱作用,尤其是精密機(jī)床的地基切忌靠近地下供熱管道,一旦破裂泄漏時(shí),可能成為一個(gè)難以找到原因的熱源;敞開的車間將是一個(gè)很好的“散熱器”,有利于車間溫度均衡。
4)恒溫:車間采取恒溫設(shè)施對(duì)精密機(jī)床保持精度和加工精度是很有效果的,但能耗較大。
3、機(jī)床內(nèi)部熱影響因素
1)機(jī)床結(jié)構(gòu)性熱源。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱如主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、冷卻潤滑泵電動(dòng)機(jī)、電控箱等均可產(chǎn)生熱量。這些情況對(duì)電動(dòng)機(jī)本身來說是允許的,但對(duì)于主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響,應(yīng)采取措施予以隔離。當(dāng)輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí),除了有少部分(約20%左右)轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)熱能外,大部分將由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能,如主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等;但不可避免的仍有相當(dāng)部分在運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為摩擦發(fā)熱,例如軸承、導(dǎo)軌、滾珠絲杠和傳動(dòng)箱等機(jī)構(gòu)發(fā)熱。
2)工藝過程的切削熱。切削過程中刀具或工件的動(dòng)能一部分消耗于切削功,相當(dāng)一部分則轉(zhuǎn)化切削的變形能和切屑與刀具間的摩擦熱,形成刀具、主軸和工件發(fā)熱,并由大量切屑熱傳導(dǎo)給機(jī)床的工作臺(tái)夾具等部件。它們將直接影響刀具和工件間的相對(duì)位置。
3)冷卻。冷卻是針對(duì)機(jī)床溫度升高的反向措施,如電動(dòng)機(jī)冷卻、主軸部件冷卻以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件冷卻等。高端機(jī)床往往對(duì)電控箱配制冷機(jī),予以強(qiáng)迫冷卻。
4、機(jī)床的結(jié)構(gòu)形態(tài)對(duì)溫升的影響
在機(jī)床熱變形領(lǐng)域討論機(jī)床結(jié)構(gòu)形態(tài),通常指結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、材料性能和熱源分布等問題。結(jié)構(gòu)形態(tài)影響機(jī)床的溫度分布、熱量的傳導(dǎo)方向、熱變形方向及匹配等。
1)機(jī)床的結(jié)構(gòu)形態(tài)。在總體結(jié)構(gòu)方面,機(jī)床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等,對(duì)于熱的響應(yīng)和穩(wěn)定性均有較大差異。例如齒輪變速的車床主軸箱的溫升可高達(dá)35℃,使主軸端上抬,熱平衡時(shí)間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心,機(jī)床有一個(gè)穩(wěn)定的底座。明顯提高了整機(jī)剛度,主軸采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng),去除了齒輪傳動(dòng)部分,其溫升一般小于15℃。
2)熱源分布的影響。機(jī)床上通常認(rèn)為熱源是指電動(dòng)機(jī)。如主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給電動(dòng)機(jī)和液壓系統(tǒng)等,其實(shí)是不完全的。電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱只是在承擔(dān)負(fù)荷時(shí),電流消耗在電樞阻抗上的能量,另有相當(dāng)一部分能量消耗于軸承、絲杠螺母和導(dǎo)軌等機(jī)構(gòu)的摩擦功引起的發(fā)熱。所以可把電動(dòng)機(jī)稱為一次熱源,將軸承、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綜合影響的結(jié)果。
一臺(tái)立柱移動(dòng)式立式加工中心在Y向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中溫升和變形情況。Y向進(jìn)給時(shí)工作臺(tái)未作運(yùn)動(dòng),所以對(duì)X向的熱變形影響很小。在立柱上,離Y軸的導(dǎo)軌絲杠越遠(yuǎn)的點(diǎn),其溫升越小。
該機(jī)在Z軸移動(dòng)時(shí)的情況則更進(jìn)一步說明了熱源分布對(duì)熱變形的影響。Z軸進(jìn)給離X向更遠(yuǎn),故熱變形影響更小,立柱上離Z軸電動(dòng)機(jī)螺母越近,溫升及變形也越大。
3)質(zhì)量分布的影響。質(zhì)量分布對(duì)機(jī)床熱變形的影響有三方面。其一,指質(zhì)量大小與集中程度,通常指改變熱容量和熱傳遞的速度,改變達(dá)到熱平衡的時(shí)間;其二,通過改變質(zhì)量的布置形式,如各種筋板的布置,提高結(jié)構(gòu)的熱剛度,在同樣溫升的情況下,減小熱變形影響或保持相對(duì)變形較小;其三,則指通過改變質(zhì)量布置的形式,如在結(jié)構(gòu)外部布置散熱筋板,以降低機(jī)床部件的溫升。
4)材料性能的影響:不同的材料有不同的熱性能參數(shù)(比熱、導(dǎo)熱率和線膨脹系數(shù)),在同樣熱量的影響下,其溫升、變形均有不同。
二、機(jī)床熱性能的測(cè)試
1、機(jī)床熱性能測(cè)試的目的
控制機(jī)床熱變形的關(guān)鍵是通過熱特性測(cè)試,充分了解機(jī)床所處的環(huán)境溫度的變化,機(jī)床本身熱源及溫度變化以及關(guān)鍵點(diǎn)的響應(yīng)(變形位移)。測(cè)試數(shù)據(jù)或曲線描述一臺(tái)機(jī)床熱特性,以便采取對(duì)策,控制熱變形,提高機(jī)床的加工精度和效率。具體地說,應(yīng)達(dá)到以下幾個(gè)目的:
1)機(jī)床周圍環(huán)境測(cè)試。測(cè)量車間內(nèi)的溫度環(huán)境,它的空間溫度梯度,晝夜交替中溫度分布的變化,甚至應(yīng)測(cè)量季節(jié)變化對(duì)機(jī)床周圍溫度分布的影響。
2)機(jī)床本身的熱特性測(cè)試。盡可能地排除環(huán)境干擾的條件下,讓機(jī)床處于各種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài),以測(cè)量機(jī)床本身的重要點(diǎn)位的溫度變化、位移變化,記錄在足夠長的時(shí)間段內(nèi)的溫度變化和關(guān)鍵點(diǎn)位移,也可用紅外線熱相儀記錄各時(shí)間段熱分布的情況。
3)加工過程測(cè)試溫升熱變形,以判斷機(jī)床熱變形對(duì)加工過程精度的影響。
4)上述試驗(yàn)可積累大量的數(shù)據(jù)、曲線,將為機(jī)床設(shè)計(jì)和使用者控制熱變形提供可靠的判據(jù),指出采取有效措施的方向。
2、機(jī)床熱變形測(cè)試的原理
熱變形測(cè)試首先需要測(cè)量若干相關(guān)點(diǎn)的溫度,包含以下幾方面:
1)熱源:包括各部分進(jìn)給電動(dòng)機(jī)、主軸電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、導(dǎo)軌、主軸軸承。
2)輔助裝置:包括液壓系統(tǒng)、制冷機(jī)、冷卻和潤滑位移檢測(cè)系統(tǒng)。
3)機(jī)械結(jié)構(gòu):包括床身、底座、滑板、立柱和銑頭箱體和主軸。
在主軸和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)之間夾持有銦鋼測(cè)棒,在X、Y、Z方向配置了5個(gè)接觸式傳感器,測(cè)量在各種狀態(tài)下的綜合變形,以模擬刀具和工件間的相對(duì)位移。
3、測(cè)試數(shù)據(jù)處理分析
機(jī)床熱變形試驗(yàn)要在一個(gè)較長的連續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行,進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄,經(jīng)過分析處理,所反映的熱變形特性可靠性很高。如果通過多次試驗(yàn)進(jìn)行誤差剔除,則所顯示的規(guī)律性是可信的。
主軸系統(tǒng)熱變形試驗(yàn)中共設(shè)置了5個(gè)測(cè)量點(diǎn),其中點(diǎn)1、點(diǎn)2在主軸端部和靠近主軸軸承處,點(diǎn)4、點(diǎn)5分別在銑頭殼體靠近Z向?qū)к壧?。測(cè)試時(shí)間共持續(xù)了14h,其中前10h主軸轉(zhuǎn)速分別在0~9000r/min范圍內(nèi)交替變速,從第10h開始,主軸持續(xù)以9000r/min高速旋轉(zhuǎn)??梢缘玫揭韵陆Y(jié)論:
1)該主軸的熱平衡時(shí)間約1h左右,平衡后溫升變化范圍1.5℃;
2)溫升主要來源于主軸軸承和主軸電動(dòng)機(jī),在正常變速范圍內(nèi),軸承的熱態(tài)性能良好;
3)熱變形在X向影響很?。?/p>
4)Z向伸縮變形較大,約10m,是由主軸的熱伸長及軸承間隙增大引起的;
5)當(dāng)轉(zhuǎn)速持續(xù)在9000r/min時(shí),溫升急劇上升,在2.5h內(nèi)急升7℃左右,且有繼續(xù)上升的趨勢(shì),Y向和Z向的變形達(dá)到了29m和37m,說明該主軸在轉(zhuǎn)速為9000r/min時(shí)已不能穩(wěn)定運(yùn)行,但可以短時(shí)間內(nèi)(20min)運(yùn)行。
三、機(jī)床熱變形的控制
由以上分析討論,機(jī)床的溫升和熱變形對(duì)加工精度的影響因素多種多樣,采取控制措施時(shí),應(yīng)抓住主要矛盾,重點(diǎn)采取一、二項(xiàng)措施,取得事半功倍的效果。在設(shè)計(jì)中應(yīng)從4個(gè)方向入手:減少發(fā)熱,降低溫升,結(jié)構(gòu)平衡,合理冷卻。
1、減少發(fā)熱
控制熱源是根本的措施。在設(shè)計(jì)中要采取措施有效降低熱源的發(fā)熱量。
1)合理選取電動(dòng)機(jī)的額定功率。
電動(dòng)機(jī)的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積,一般情況下,電壓V是恒定的,因此,負(fù)荷的增大,意味著電動(dòng)機(jī)輸出功率增大,即相應(yīng)的電流I也增大,則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若我們所設(shè)計(jì)選擇的電動(dòng)機(jī)長時(shí)間在接近或大大超過額定功率的條件下工作,則電動(dòng)機(jī)的溫升明顯增大。為此,對(duì)BK50型數(shù)控針槽銑床銑頭進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)(電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速:960r/min;環(huán)境溫度:12℃)。
從上述試驗(yàn)得到以下概念:從熱源性能考慮,無論主軸電動(dòng)機(jī)還是進(jìn)給電動(dòng)機(jī),選擇額定功率時(shí),最好選比計(jì)算功率大25%左右為宜,在實(shí)際運(yùn)行中,電動(dòng)機(jī)的輸出功率與負(fù)荷相匹配,增大電動(dòng)機(jī)額定功率對(duì)于能耗的影響很小。但可有效降低電動(dòng)機(jī)溫升。
2)結(jié)構(gòu)上采取適當(dāng)措施,減小二次熱源的發(fā)熱量,降低溫升。
例如:主軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),應(yīng)提高前后軸承的同軸度,采用高精度軸承。在可能的條件下,將滑動(dòng)導(dǎo)軌改為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌,或采用直線電動(dòng)機(jī)。這些新技術(shù)都可以有效地減小摩擦、減少發(fā)熱、降低溫升。
3)在工藝上,采用高速切削?;诟咚偾邢鞯臋C(jī)理。
當(dāng)金屬切削的線速度高于一定范圍時(shí),被切削金屬來不及產(chǎn)生塑性變形,切屑上不產(chǎn)生變形熱,切削能量大多數(shù)轉(zhuǎn)化為切屑動(dòng)能被帶走。
2、結(jié)構(gòu)平衡,以降低熱變形
在機(jī)床上,熱源是永遠(yuǎn)存在的,進(jìn)一步需要關(guān)注的是如何讓熱傳遞方向和速度有利于減少熱變形。或者結(jié)構(gòu)又有很好的對(duì)稱性,使熱傳遞經(jīng)沿對(duì)稱方向,使溫度分布均勻,變形互相抵消,成為熱親和結(jié)構(gòu)。
1)預(yù)應(yīng)力和熱變形。
在較高速的進(jìn)給系統(tǒng)中,往往采用滾珠絲杠兩端軸向固定,形成預(yù)拉伸應(yīng)力。這種結(jié)構(gòu)對(duì)高速進(jìn)給來說,除了提高動(dòng)靜態(tài)穩(wěn)定性外,對(duì)于降低熱變形誤差具有明顯作用。
在全長600mm內(nèi)預(yù)拉伸35m的軸向固定結(jié)構(gòu)在不同的進(jìn)給速度下溫升比較接近。兩端固定預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)的累積誤差明顯小于單端固定另一端自由伸長的結(jié)構(gòu)。在兩端軸向固定預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)中,發(fā)熱引起的溫升主要是改變絲杠內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)由拉應(yīng)力變?yōu)榱銘?yīng)力或壓應(yīng)力。因此對(duì)位移精度影響較小。
2)改變結(jié)構(gòu),改變熱變形方向。
采用不同滾珠絲杠軸向固定結(jié)構(gòu)的數(shù)控針槽銑床Z軸主軸滑座在加工中要求銑槽深度誤差5m。采用絲杠下端軸向浮動(dòng)結(jié)構(gòu),在加工2h內(nèi),槽深逐漸加深從0到0.045mm。反之,采用絲杠上端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu),則能確保槽深變化。
3)機(jī)床結(jié)構(gòu)幾何形狀的對(duì)稱,可令熱變形走向一致,使刀尖點(diǎn)的漂移盡量減小。
例如,日本安田(Yasda)精密工具公司推出的YMC430微加工中心是亞微米高速加工機(jī)床,機(jī)床的設(shè)計(jì)對(duì)熱性能進(jìn)行了充分的考慮。
首先在機(jī)床結(jié)構(gòu)上采取完全對(duì)稱布局,立柱和橫梁是一體化結(jié)構(gòu),呈H型,相當(dāng)于雙立柱結(jié)構(gòu),具有良好的對(duì)稱性。近似圓形的主軸滑座無論在縱向還是橫向也都是對(duì)稱的。
3個(gè)移動(dòng)軸的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)均采用直線電動(dòng)機(jī),結(jié)構(gòu)上更加容易實(shí)現(xiàn)對(duì)稱性,2個(gè)回轉(zhuǎn)軸采用直接驅(qū)動(dòng),盡量減少機(jī)械傳動(dòng)的摩擦損耗和。
3、合理的冷卻措施
1)加工中的冷卻液對(duì)加工精度的影響是直接的。
對(duì)GRV450C型雙端面磨床進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明:借助制冷機(jī)對(duì)冷卻液進(jìn)行熱交換處理,對(duì)提高加工精度非常有效。
使用傳統(tǒng)的冷卻液供給方式,30min后,工件尺寸就超差。采用制冷機(jī)后,可以正常加工到70min以上。在80min時(shí)工件尺寸超差的主要原因是砂輪需修整(去除砂輪面上的金屬屑),修整后馬上即可回復(fù)原來的加工精度。效果非常明顯。同樣,對(duì)于主軸的強(qiáng)迫冷卻也能期望得到非常好的效果。
2)增加自然冷卻面積。
例如在主軸箱體結(jié)構(gòu)上添加自然風(fēng)冷卻面積,在空氣流通較好的車間內(nèi),也能起到很好的散熱效果。
3)及時(shí)自動(dòng)排屑。
及時(shí)或?qū)崟r(shí)將高溫切屑排出工件、工作臺(tái)及刀具部分,將十分有利于減少關(guān)鍵部分的溫升和熱變形。
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