數(shù)控銑床主軸減小熱誤差的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：隨著我國科技水平的不斷提高，其數(shù)控銑床也向著高精度、高速度、高效率的方向發(fā)展著，現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品的需求提升導(dǎo)致數(shù)控銑床必須具備相當(dāng)高標(biāo)準(zhǔn)的加工性能，必須將數(shù)控銑床的重量保持在合理的范圍內(nèi)。數(shù)控銑床是數(shù)控機(jī)床的一種，而在數(shù)控銑床中，銑床主軸在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生較大的熱能，這些熱能的積聚會(huì)對產(chǎn)品的質(zhì)量造成一定的影響。

關(guān)鍵詞：主軸部件；熱變形；結(jié)構(gòu)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.011

0 引言

數(shù)控銑床在生產(chǎn)的過程中，其發(fā)生的誤差主要有以下兩個(gè)方面：其一，熱誤差。其二幾何誤差、伺服控制誤差、切削力誤差。在這所有的誤差中，熱誤差占據(jù)著誤差總量的三分之一，因此熱誤差的降低是提高銑床加工的產(chǎn)品精度的關(guān)鍵。

1 主軸部件結(jié)構(gòu)中的熱量傳遞

一個(gè)銑床的主軸溫度場的形成，主要是銑床在自身運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的熱量以及外部環(huán)境所攜帶的熱量共同組成了熱能量場。因此銑床主軸的結(jié)構(gòu)對整個(gè)數(shù)控銑床的熱誤差有著直接的關(guān)系。而主軸部件機(jī)構(gòu)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中其產(chǎn)生的熱量會(huì)逐漸的進(jìn)行傳遞，下圖1標(biāo)注的是車床電主軸以及箱體的二維結(jié)構(gòu)示意圖。

在此車床的電主軸中，其熱量的傳遞經(jīng)過科研人員的深入的分析和研究，主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，對主軸熱變形影響較大的發(fā)熱部分是前后動(dòng)靜壓軸承。而主軸熱分析過程中總共有三類熱量的傳遞方式，其一，熱傳導(dǎo)；其二，對流換熱；其三，輻射換熱。從圖1可以看出，數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)對于熱量的產(chǎn)生大小有著極大的影響[1]。

2 針對數(shù)控銑床主軸減小熱誤差結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化對策

在現(xiàn)階段無論是國外還會(huì)國內(nèi)，銑床的熱誤差導(dǎo)致銑床部件的變形等問題都沒有得到徹底的解決，而筆者根據(jù)對相關(guān)資料的研究分析，從數(shù)控銑床的主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對熱誤差的減小總結(jié)出以下幾個(gè)方面的對策。

2.1 設(shè)計(jì)階段的控制

數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)方面就是從源頭上開始對熱誤差進(jìn)行減少，因此在數(shù)控銑床的的設(shè)計(jì)階段就通過對銑床的熱誤差進(jìn)行檢測。在此階段可以建立銑床的熱誤差模型，通過一些科學(xué)的計(jì)算方式銑床的熱誤差進(jìn)行檢測以及分析，對于銑床因?yàn)闄C(jī)構(gòu)上的不合理而產(chǎn)生過多熱量的部位進(jìn)行改進(jìn)。而且在設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出先進(jìn)的冷卻系統(tǒng)也可以在一定程度上減少熱量的產(chǎn)生。冷卻系統(tǒng)對于銑床熱誤差減小有著極為重要的意義，而且相關(guān)的工作人員在銑床開始設(shè)計(jì)的階段必須對銑床結(jié)構(gòu)比較薄弱的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一定強(qiáng)度的優(yōu)化，運(yùn)用科學(xué)的方法對銑床敏感誤差的部位進(jìn)行細(xì)致的檢測。例如在設(shè)計(jì)階段可將產(chǎn)生大量熱能的電動(dòng)機(jī)與主軸之間的距離進(jìn)行了一定的加長。綜合以上而言，數(shù)控銑床在設(shè)計(jì)階段對主軸結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的優(yōu)化，可以在很大程度上消除熱誤差的產(chǎn)生，對數(shù)控銑床的實(shí)現(xiàn)高精度生產(chǎn)具有著極為重要的作用[2]。

2.2 溫度的控制

眾所周知，數(shù)控銑床的冷卻系統(tǒng)一般由回水管、出水管、冷卻泵、開關(guān)以及噴嘴能諸多部件組成，而冷卻泵一般安裝在銑床底座的內(nèi)腔中，冷卻泵將切削液加壓通過噴嘴噴射到切削區(qū)進(jìn)行冷卻作業(yè)，因此一個(gè)數(shù)控銑床的冷卻系統(tǒng)的良好運(yùn)行對數(shù)控銑床熱誤差的減小有著極為重要的影響。

而溫度控制的方向主要是銑床冷卻系統(tǒng)的研發(fā)、銑床工作環(huán)境溫度控制等，而且經(jīng)過相關(guān)的科學(xué)研究得出，傳統(tǒng)的冷卻方法可以在一定程度內(nèi)減少熱誤差，而且無論是風(fēng)冷系統(tǒng)還是水冷系統(tǒng)，都能在減少熱誤差的產(chǎn)生。但是現(xiàn)如今對于產(chǎn)品精度的要求提高，傳統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)已經(jīng)逐漸滿足不了精度對于熱誤差的要求。現(xiàn)階段相關(guān)的企業(yè)一般是通過風(fēng)冷和水冷的方式對熱誤差進(jìn)行控制，但是這類方式對于能源的消耗是巨大的，對于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展有著一定的影響，例如風(fēng)冷就需要風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速達(dá)到一定水平產(chǎn)生的風(fēng)力才能使數(shù)控銑床冷卻。而風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)便需要耗費(fèi)較大的電能才能實(shí)現(xiàn)對數(shù)控銑床的冷卻。

2.3 主軸結(jié)構(gòu)的優(yōu)化控制

在數(shù)控銑床中可以將電動(dòng)機(jī)的安裝采取后置式的安裝，此類安裝方式能夠在很大程度上將電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱源隔離在主軸的前端部分。而且電動(dòng)機(jī)的此類安裝也有利于冷卻散熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。

2.4 數(shù)控銑床主軸測溫點(diǎn)的優(yōu)化

數(shù)控銑床究其本質(zhì)而言，其具有的熱態(tài)系統(tǒng)有著復(fù)雜多變的特點(diǎn)，而且存在著很多對數(shù)控銑床的熱變形有較大影響的因素。而測溫點(diǎn)的選取在整個(gè)銑床的熱誤差補(bǔ)償中占據(jù)了較為重要的位置。如果溫度關(guān)鍵點(diǎn)的選擇較少，可能會(huì)影響熱誤差模型的預(yù)測精度。

但如果選擇的溫度關(guān)鍵點(diǎn)較多，其必須耗費(fèi)大量的人力對這些關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行處理。最后會(huì)導(dǎo)致建模效率的降低。因此筆者建議相關(guān)的工作人員在進(jìn)行數(shù)控銑床主軸測溫點(diǎn)的優(yōu)化工作中，對測溫點(diǎn)的選取必須以銑床運(yùn)行中產(chǎn)生的熱量的實(shí)際大小來進(jìn)行對主軸測溫點(diǎn)的選取。將熱誤差對于模型的預(yù)測精度的影響控制在合理的范圍內(nèi)[3]。

3 結(jié)語

本文就數(shù)控銑床主軸減小熱誤差的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)展開全文的論述。在數(shù)控銑床的的設(shè)計(jì)階段以及后期銑床運(yùn)作過程的溫度控制等方面對數(shù)控銑床的熱誤差減小的具體措施進(jìn)行了一定的總結(jié)。我國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動(dòng)著數(shù)控銑床向著高精度、高速度的方向不斷發(fā)展，但熱力差的存在對于數(shù)控銑床實(shí)現(xiàn)高精度的生產(chǎn)有著一定的制約，因此我國相關(guān)的研究機(jī)構(gòu)對于如何完全消除熱力差對銑床生產(chǎn)高精度的影響應(yīng)展開深入的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]岳紅新，石巖，李國芹.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的主軸熱誤差補(bǔ)償技術(shù)研究[J].制造技術(shù)與銑床，2012（03）.

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[3]周金芳，姜萬生，王斌洲，陳自立.高速電主軸在線溫升及軸向熱伸長測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].科學(xué)技術(shù)與工程，2012（04）.

作者簡介：伍偉敏（1976-），男，湖南祁東人 ，學(xué)士，講師，研究方向：職業(yè)教育教學(xué)方法、機(jī)械零件優(yōu)化設(shè)計(jì)。