為了減少數(shù)控銑床的熱變形措施

工藝過程的自動(dòng)化和精密加工的發(fā)展對(duì)數(shù)控銑床機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。機(jī)床在內(nèi)外熱源的影響下，各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系遭到破壞，也使機(jī)床精度下降。在通常情況下，為了使機(jī)床的熱變形達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值，需要花費(fèi)很多時(shí)間來預(yù)熱機(jī)床，這就直接影響了機(jī)床的生產(chǎn)率。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，因?yàn)槿考庸こ叽缡怯深A(yù)先編制的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。

　　機(jī)床產(chǎn)生熱變形的原因主要是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切屑、運(yùn)轉(zhuǎn)的電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)、傳動(dòng)件的摩擦以及機(jī)床外部的熱輻射等。除了熱源及溫差以外，機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。

　　機(jī)床各部位熱變形對(duì)加工精度的影響可以用圖2 4來說明。圖中的實(shí)線表示機(jī)床冷態(tài)時(shí)刀具和工件的相對(duì)位置。當(dāng)機(jī)床運(yùn)行了一段時(shí)間后，主軸箱內(nèi)的傳動(dòng)件所產(chǎn)生的熱量使立柱向上變形，產(chǎn)生f偏差△Yt/(如圖2一4a所示/);在液壓油泵及其他傳動(dòng)元件發(fā)熱的影響下，床身沿縱向產(chǎn)生中間凸起的變形/(如圖2 4b所示/)，而且由于床身縱向的伸長(zhǎng)使支承絲杠的軸承向左移動(dòng)，又產(chǎn)生了偏差A(yù)X/(如圖2 4。所示/);除此之外，還由于電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生熱量，使立柱傾斜，造成了偏差△h/(如圖2一4d所示/)。綜合這一系列的變形使被加工孔的坐標(biāo)精度和軸線的垂直度受到了影響。

　　為了減少數(shù)控銑床的熱變形，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取以下的措施。

　　1.減少發(fā)熱

　　機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)當(dāng)盡可能地將熱源從主機(jī)中分離出去。目前，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床的電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓裝置及油箱等都已外置。對(duì)于不能與主機(jī)分離的熱源，如主軸軸承、絲杠螺母副、高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副等，則必須改善其摩擦特性和潤(rùn)滑條件，以減少機(jī)床內(nèi)部的發(fā)熱。

　　主軸部件是直接影響加工精度的關(guān)鍵部件，而主軸上的軸承通常又是一個(gè)很大的內(nèi)部熱源。在數(shù)控機(jī)床上除了采用精密滾動(dòng)軸承和對(duì)軸承進(jìn)行油霧潤(rùn)滑外，還可采用靜壓軸承，這些措施都有利于降低主軸的溫升。在精密數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)應(yīng)盡量避免使用摩擦離合器等發(fā)熱元件。

　　機(jī)床加工時(shí)所產(chǎn)生的切屑也是一個(gè)不可忽視的熱源，產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機(jī)床必須帶有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走。也可以在工作臺(tái)或?qū)к壣涎b設(shè)隔熱板，使這部分熱量被隔離在機(jī)床之外。在使用切削液的數(shù)控機(jī)床上，切削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當(dāng)它散落在機(jī)床的各處時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生局部的溫升。精密數(shù)控機(jī)床應(yīng)控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通過蕞短途徑從機(jī)床中排出。

　　潤(rùn)滑油在傳動(dòng)件之間流過，帶走了摩擦熱，使?jié)櫥统氐臏囟戎饾u升高，成為一個(gè)次生熱源。因此，在一些精密數(shù)控機(jī)床中已把潤(rùn)滑油池移出機(jī)床，當(dāng)然也可以對(duì)油池進(jìn)行溫度控制。

　　液壓傳動(dòng)系統(tǒng)及其油池是機(jī)床卜的又一次生熱源。除了盡可能將此油池移出機(jī)床之外，油泵的供油量必須選擇得適當(dāng)，否則大4多余的油液流經(jīng)溢液閥，既浪費(fèi)了能源又產(chǎn)生很大的熱量。所以對(duì)干需要經(jīng)常變化供油量的液壓系統(tǒng)，應(yīng)盡量采用變量泵。

　　2.拉制溫升

　　在采取了一系列減少熱源的措施之后，熱變形的情況將有所改善，但要完全消除機(jī)床的內(nèi)外熱源通常是十分困難的，甚至是不可能的，所以必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響。比較有效的方法是在機(jī)床的發(fā)熱部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。目前對(duì)于多坐標(biāo)軸的數(shù)控機(jī)床，由于它在幾個(gè)方向上都要求很高的精度，因此很難用補(bǔ)償?shù)姆椒▉頊p少熱變形的影響。對(duì)于這類機(jī)床，采用制冷系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻的方法可以收到良好的效果。但制冷系統(tǒng)的冷卻能力必須適當(dāng)，如果吸熱量大于機(jī)床內(nèi)部熱源的發(fā)熱能力，將會(huì)使機(jī)床的溫度低于環(huán)境溫度，不僅引起收縮.而且濕空氣將會(huì)冷凝在機(jī)床表面上而使機(jī)床生銹。

　　除了采用強(qiáng)制冷卻之外，也可以在機(jī)床低溫部分通過加熱的方法，使機(jī)床各.4的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場(chǎng)的均勻，減少由于溫差造成的翹曲變形。某些較大型的數(shù)控機(jī)床設(shè)有加熱器，在加工之前通過加熱來縮短機(jī)床的預(yù)熱時(shí)間，以提高機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)率。

　　3.改善機(jī)床結(jié)構(gòu)

　　在同樣發(fā)熱的條件下，機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)熱變形也有很大影響。目前，根據(jù)熱對(duì)稱原則設(shè)計(jì)的數(shù)控機(jī)床取得了較好的效果。因此，數(shù)控機(jī)床過去采用的.單立柱結(jié)構(gòu)有可能被雙立柱結(jié)構(gòu)所代替。雙立柱結(jié)構(gòu)由于左右對(duì)稱，受熱后的主軸軸線除產(chǎn)生垂直方向的平移外，其他方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動(dòng)ITJ以方便地用一個(gè)坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。

　　對(duì)于數(shù)控銑床的主軸箱.應(yīng)盡LlA使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切人的垂直方向上，如圖2 5所示。這是因?yàn)榈都庋毓ぜ邢虻钠茖?duì)工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎可以忽略。在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)當(dāng)盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離/(如圖中的尺寸H/)，以減少熱變形的總量;同時(shí)應(yīng)使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜。

　　數(shù)控機(jī)床中的滾珠絲杠是在預(yù)加載荷大、轉(zhuǎn)速高及散熱差的條件下運(yùn)行的，因此絲杠極容易發(fā)熱。滾珠絲杠的熱伸長(zhǎng)所造成的后果是嚴(yán)重的，尤其是在開環(huán)系統(tǒng)中，它將會(huì)使進(jìn)給系統(tǒng)喪失定位精度。目前，某些機(jī)床用預(yù)拉的方法來減少絲杠的熱變形。這種方法是在加工滾珠絲杠時(shí)，使螺距略小于名義值，裝配時(shí)對(duì)絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸，使其螺距達(dá)到名義值。當(dāng)?shù)谝还?jié)數(shù)拎機(jī)床的結(jié)構(gòu)要求絲杠工作而受熱，絲杠中的拉應(yīng)力補(bǔ)償了熱應(yīng)力，它既減少了熱伸長(zhǎng)的影響，又提高了絲杠的剛度。

　　對(duì)于采取了上述措施仍不能消除的熱變形，可以根據(jù)測(cè)量的結(jié)果，由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出補(bǔ)償脈沖加以修正。例如在主軸箱_七測(cè)量出主軸軸承前端的熱位移，然后由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償。

　　另外，也可以采用特殊的調(diào)節(jié)元件來消除熱位移。圖2 6是數(shù)控六角車床刀架消除熱位移的實(shí)例。熱調(diào)整油缸由刀桿和套簡(jiǎn)組成，套簡(jiǎn)的材料為熱膨脹系數(shù)很小的錮鋼，刀桿和套筒的一端固定連接，另一端可以相對(duì)移動(dòng)。當(dāng)機(jī)床發(fā)熱使主軸位置偏移時(shí)，變速箱中的潤(rùn)滑油也被加熱，并流經(jīng)熱調(diào)整油缸，使刀桿受熱伸長(zhǎng)，沿著主軸熱變形的相反方向進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。圖中的虛線和實(shí)線分別表示補(bǔ)償前后的熱變形量，由圖可見，經(jīng)過補(bǔ)償?shù)臒嶙冃瘟匡@著減小。該設(shè)計(jì)的本身只是解決了‘個(gè)具體的熱變形問題，但設(shè)計(jì)者創(chuàng)新的意識(shí)值得借鑒。