一、數(shù)控車床加工環(huán)境溫度場對加工精度的影響

 

1、加工實(shí)例分析  

 

   工件材質(zhì)為鋁合金，在1600mm直徑范圍內(nèi)均布26000個(gè)直徑為32mm的孔，要求對工件中心孔位置度在0.05mm以內(nèi)。制造廠采用一臺高速高精度的數(shù)控龍門機(jī)床加工。該機(jī)床在機(jī)床精度復(fù)檢中重復(fù)定位精度都在0.008mm以內(nèi)，按常規(guī)采用這樣精度的設(shè)備加工是不成題目的。但在持續(xù)加工，工件實(shí)測誤差在0.20mm以上。經(jīng)過綜合技術(shù)分析和重新檢測機(jī)床精度，以為機(jī)床在大空調(diào)廠房中，早、中、晚溫度變化梯度較大，機(jī)床從冷卻到全熱態(tài)過程中，機(jī)床的坐標(biāo)系原點(diǎn)存在漂移；鋼件材料的熱線張系數(shù)和鋁材料相差較大，在一米長度上溫度相差1℃尺寸長度就相差0.01mm以上。為穩(wěn)定機(jī)床工作的環(huán)境溫度，在機(jī)床加工區(qū)域搭建了二次恒溫空調(diào)間后，在加工前先經(jīng)過數(shù)小時(shí)預(yù)熱后不停機(jī)連續(xù)加工到完成，工件實(shí)測誤差控制到0.08mm以內(nèi)。  

 

2、任何機(jī)床進(jìn)行加工就要消耗動力，產(chǎn)生熱量，這熱量傳導(dǎo)到機(jī)床各運(yùn)動部件和機(jī)床構(gòu)件，必然引起機(jī)床工藝系統(tǒng)的熱變形，造成工件加工精度的變化。例如，一臺常用的數(shù)控立銑床，當(dāng)機(jī)床由冷態(tài)轉(zhuǎn)進(jìn)熱態(tài)時(shí)，主軸經(jīng)過長時(shí)間高速運(yùn)動后，溫度有可能上升十幾度，引起主軸箱溫升，立柱局部后仰熱變形、主軸中心線延伸、主軸端面抬頭等綜合變形，對中小規(guī)格的立銑床，在主軸端面上可能達(dá)到0.02－0．04mm的長度變化。驗(yàn)證這題目可采用簡單的方法：用一把小直徑的立銑刀；用S形走刀軌跡，銑一個(gè)大平面（例如：300mm×300mm,400mm×400mm），一般經(jīng)過半個(gè)小時(shí)以上的切削、刀具再走到進(jìn)刀的起始位置，接刀點(diǎn)處形成明顯的臺階差。數(shù)控機(jī)床上主要熱源來源于各伺服電機(jī)和主軸電機(jī)、高速運(yùn)動部件及液壓系統(tǒng)等。 

 

二、數(shù)控機(jī)床整體溫度的均衡及加工環(huán)境溫度場的控制  

 

    對數(shù)控車床的精度而言，溫度場的影響是綜合的，尤其在有限空間內(nèi)溫度梯度變化影響最大，因此控制機(jī)床整體溫度的均衡是一個(gè)比較理想的目標(biāo)。為此在機(jī)床工作環(huán)境周邊溫度場要求均衡的基礎(chǔ)上，在精密的數(shù)控機(jī)床上常采用以下一些措施： 

 

1、均衡熱對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)  

 

   無論是大中型機(jī)床還是小型機(jī)床，對機(jī)床構(gòu)件（床身、立柱、導(dǎo)軌等）采用對稱的布局設(shè)計(jì)已被廣泛接受，例如對稱的雙立柱、封閉、龍門布局、箱中箱結(jié)構(gòu)等，日本安田機(jī)床就采用對稱立柱結(jié)構(gòu)。  

 

2、機(jī)床主體均勻溫度場的控制措施

  

   在現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上為控制機(jī)床的局部發(fā)熱，均衡機(jī)床各部分溫度與室溫的一致性、均勻性可以采取一系列措施。常見的有：  

（l）主軸部件是主要發(fā)熱源，所以主軸的前軸承部件都配置冷卻水套，與機(jī)外恒溫油箱連接，重點(diǎn)冷卻前主軸軸承座（或主軸箱體）的溫度，與室溫相近。  

一些高速電主軸內(nèi)通人常溫壓縮空氣，帶走主軸內(nèi)部熱量，控制主軸部件溫升。  

（2）采用中空的滾珠絲杠，通人恒溫冷卻液，有效冷卻滾珠絲杠高速旋轉(zhuǎn)中發(fā)熱，這技術(shù)尤期在龍門機(jī)床長絲杠上取得較好穩(wěn)定精度的作用。

（3）采用供給大量恒溫流體來穩(wěn)定機(jī)床構(gòu)件（立柱、床身等）的溫度場均勻，控制局部熱變形。例如：在龍門機(jī)床長床身中透風(fēng)調(diào)節(jié)各局部溫度變化。  在一些高精度機(jī)床上，床身導(dǎo)軌和立柱導(dǎo)軌后面都有液體活動的通道，在工作中恒溫液體從這些通道中通過循環(huán)，控制整機(jī)均勻溫度場。  

（4）采用三維溫度補(bǔ)償軟件，修正加工精度。機(jī)床由冷態(tài)工作到熱態(tài)過程中，工作精度有一定變化，如主軸、Y軸導(dǎo)軌等均會出現(xiàn)一定量的誤差。這些誤差隨著主變量（溫度）的變化會產(chǎn)生有規(guī)律的相應(yīng)誤差變化，例如：當(dāng)主軸端面溫度上升5℃時(shí)，一般會使主軸抬頭0.015－0.02mm。因此，在機(jī)床關(guān)鍵部件貼上溫度傳感器測定溫升量并輸人到數(shù)控系統(tǒng)，由試驗(yàn)測定數(shù)據(jù)的補(bǔ)償軟件計(jì)算出在Z軸上的補(bǔ)償修正量，輸進(jìn)Z軸坐標(biāo)系進(jìn)行修正，進(jìn)步機(jī)床精度。這種補(bǔ)償軟件也可對X、Y、Z多軸進(jìn)行補(bǔ)償，大大改善原有的機(jī)床精度。這一補(bǔ)償技術(shù)已較成功能地應(yīng)用于高精度三坐標(biāo)丈量機(jī)的溫度場補(bǔ)償，以前三測機(jī)只能用于20℃±1℃條件下精密丈量，現(xiàn)在對X、Y、Z三軸和工件上各加上兩個(gè)溫度傳感器（共7－8個(gè)），經(jīng)過多維數(shù)字模型的軟件處理，能在20℃±5－6℃的環(huán)境下實(shí)施精確丈量。  

  

3、刀具和加工工件加工環(huán)境溫度場均勻性的控制  

 

   加工過程中，主要發(fā)熱源是刀具切削工件表面的金屬材料時(shí)產(chǎn)生的熱量，這些熱量有相當(dāng)部分隨著切屑排走，但也使刀具發(fā)熱和工件加工區(qū)域局部溫度升高，造成工件熱變形和內(nèi)應(yīng)力變形，影響加工精度。為此，淋浴冷卻是現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床上常用的方法，即在加工過程中用大流量冷卻液沖洗工件和刀具，把切削熱量迅速從加工區(qū)域帶走，以形成較均勻的加工區(qū)域溫度場。這種方式要求機(jī)床配置大流量的恒溫冷卻系統(tǒng)，有全封閉的冷卻防護(hù)罩，在加工鑄件要時(shí)，要采用一些措施來處理含粉狀切屑末的冷卻液。  

 

    為了使切削冷卻液真正加到切削部位，數(shù)控機(jī)床上常采用帶內(nèi)冷卻切削液的刀具，這是非常有效的方法，尤其是在深孔加工中。例如，鉆深孔時(shí)，切削主要發(fā)熱區(qū)是在鉆頭的橫刃和鉆尖側(cè)刃處；一般的切削液供給方法根本深進(jìn)不到那些部位，因此高壓冷卻液通過鉆頭中心冷卻液通道直接加到加工區(qū)域，沖走切屑，帶走熱量，降低了工件的局部溫度。  

 

   在高速超硬加工中，工件表面硬度較高，要用超硬刀具強(qiáng)行切削，盡管每次切深并不大，用刀具高速運(yùn)動帶走切屑并連續(xù)噴帶油露的壓縮空氣，冷卻加工區(qū)域。  

 

4、加工環(huán)境溫度場和丈量部件溫度場的均衡處理數(shù)控機(jī)床的加工對象是各種材料，如鋼鐵、有色金屬等，但數(shù)控機(jī)床的定位精度取決于丈量部件的精度；目前全閉環(huán)的高精度數(shù)控機(jī)床基本上都采用了光柵作為檢測元件。  

  

   在數(shù)控車床上使用半閉環(huán)系統(tǒng)，采用回轉(zhuǎn)編碼器作為直線間隔檢測元件，則無法測直線運(yùn)動部件熱變形變化情況，直線坐標(biāo)上原點(diǎn)漂移更無法測出，因此它的定位精度和穩(wěn)定性肯定要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于閉環(huán)系統(tǒng)。