機床熱誤差產生原因分析及常用補償辦法

李亞聰

摘?要：隨著我國的發展，工業生產的重要性不言而喻，對機床的加工質量和效率也提出了新的要求。但是在實際生產中，高端機床需要從國外采購，國產機床的熱誤差仍然是難以解決的問題，對機床的生產質量造成了一定的影響。本文將首先闡述產生熱誤差的因素，進而列舉減小熱誤差的常用方法，最后敘述熱誤差補償技術存在的問題，旨在對我國的機床生產提供借鑒。

關鍵詞：熱誤差;數控機床;建模

機床是一種重要的工業設備，在機械生產中具有舉足輕重的作用。現階段，我國工業生產逐漸趨于自動化形態，精密制造技術也在不斷發展，這就對機床提出了新的要求，不能夠僅僅滿足于高精度以及高速度這類傳統工作需要，還要具備精密化以及智能化的生產特征。機床精度是機床的重要參數，決定了加工質量的高低，而對于機床精度而言，相關的影響因素一般有許多部分，主要是熱變形誤差、機床制造裝配幾何誤差、切削加工引起的切削力變形誤差以及磨損誤差等。

根據以往的使用經驗和統計，在實際機床的工作中，熱誤差帶來的影響一般在40%和70%之間，基本都是由于機床在持續工作中溫度會逐漸上升，同時內部不同部位的溫度也有一定的差距，也就是產生了溫度梯度，這種內部溫度梯度會帶來部件間的應力，在應力的作用下而迫使機床產生形變。

1 產生熱誤差的主要因素

在數控機床的工作中必然會產生一定的熱量，而熱源一般可以分為機床內部熱源以及機場外部熱源這兩種。機床運行時內部的電機轉動、軸承、導軌摩擦以及電路熱功率都會產生熱量，其中產生熱量最多的就是電機以及軸承這兩個部分，對機床的影響較為明顯。除此之外，如果為了提升工作量而使用較多的電主軸，那么件導軌和絲杠副摩擦熱也會帶來較大的影響，同樣不能忽視。

機床內部熱源產生的熱量通常比外部熱大得多，所以對機床影響最大的基本就是內部熱。在機床中，由于各個部分產生的熱量不同而導致溫度不同，對應的熱應力也會有差別，在這種情況下機床就會發生形變產生彈力來抵消熱應力的梯度差。在機床的設計中，不僅要考慮內部熱源的影響，還要注重機床的總體結構以及零件連接等內容，因為這部分也與熱誤差有關聯。如果機床結構合理完善，那么熱容量、熱剛度等重要參數也會達到實際需求，減小熱誤差時滯和耦合。除此之外，組成機床的部件結構、尺寸、材料的選擇也會有不同的效果。

2 減小熱誤差的常用方法

在機床進行加工的過程中，熱誤差的大小是不可忽略的部分。根據熱誤差的產生因素，可以通過實施誤差避免技術以及誤差補償技術來降低熱誤差，進而提升機床加工的精度。

2.1 誤差避免技術

（1）控制熱源。在實際應用中，通常針對機床冷卻系統的特征來對其進行有效控制，進而維持機床的熱穩定性，與此同時，測量機床每個部分的產熱量的大小，對高產熱部分加以控制，根據設備的具體狀態設計優化對應的冷卻系統，同時還要提高機床的潤滑度。（2）物理冷卻。所謂的物理冷卻，實際上就是對一些機床進行水淋或者風冷。在機床的工作過程中，如果普通的物理冷卻難以達到降溫標準，影響了機床的工作效率，那么就可以考慮實施強對流方法進行冷卻，而這種方式會耗費更多的經濟。

根據以往的使用經驗，相關研究人員逐漸發現控制熱源以及物理冷卻這兩種方式有一定局限性，因此在新階段的研究中更加注重低能耗、高效益的工作方式。機床內部較為復雜，結構特殊，同時還有大量的部件，對各個部件進行有效控制十分困難，耗資也多。另外，機床的工作環境也并非一成不變，這就對降低熱誤差帶來了更高的難度。

2.2 誤差補償技術

誤差補償技術在實際使用中有十分明顯的效果，得到了人們的廣泛認可，對降低熱誤差具有重要的意義。誤差補償技術主要分為直接補償和間接補償這兩類。

直接補償一般通過間接測量以及補償位移大小進行補償，技術人員如果想要知道道具的位置，僅需要通過工件上的傳感器進行測量，雖然直接補償的使用并不困難，但是會停止切削過程，降低工作效率。不同于直接補償，簡介補償需要知道設計熱誤差模型以及傳感器反饋數值來明確實時狀態，進而進行誤差補償。

2.3 優化設計及其他控制方法

有限元分析技術是一種先進的技術，對各方面的發展都有有效的參考和幫助。通過這種技術，設計人員在機床設計中越來越注重機床的綠色設計、系統動態設計以及優化設計等方面。

近些年來新型材料不斷產生，對其他行業的發展也帶來了推動作用。譬如可以將花崗巖用于機床床身，而陶瓷軸承、磁力軸承及氣體靜壓軸承等可改善接觸條件，降低接觸熱產生，提高轉動精度。通過對機床使用過程和加工過程的相互作用研究，溫差對其使用精度影響較大，可以采用優化加工順序和加工參數來減少熱變形的產生。

3 熱誤差補償技術存在的問題

近些年來，由于科技的進步和創新，熱誤差補償技術相對于過去已經有了較大的提升，解決了部分機床的熱誤差問題。但是在實際生產過程中，一部分生產問題仍然沒有得到改善，在應用中還存在諸多不便。對于一些高質量的加工場合，對國外高端機床有很大的依賴，我國機床的熱誤差補償技術仍然無法機型批量生產使用。

一些熱誤差產生的特征是重要的參考內容，但是對其進行測量和辨識會耗費大量資源，機床在工作中周圍環境的變化是熱誤差的一方面因素，同時，加工工況、切削參數以及工作時長也是熱誤差的影響因素。

機床在工作過程中的環境溫度一般都在不斷變化，如果要建立熱誤差補償模型，就只能建立某個溫度范圍的模型，在其他溫度狀態下，相應的數學模型就不再適用。

4 結語

綜上所述，機床是工業生產的重要部分，對工業生產具有重要的意義。為了有效降低機床的熱誤差，提升機床的加工精度，就必須要充分了解機床熱誤差產生的因素，從這些因素入手，采用誤差避免技術、誤差補償技術研究優化設計其他控制方法，進而改善機床的質量，保證機床工作效率，為工業生產提供根本保證。

參考文獻：

[1]Li Y，Zhao W，Lan S，et al.A review on spindle thermal error compensation in machine tools[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2015，（95）：20-38.

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