試論臥式數控加工中心主軸熱誤差問題

張中秋

摘要：在當前新市場經濟常態下，臥式數控機床的應用在降低人力、物力和財力損耗的同時，也為企業可持續發展目標的實現奠定了良好基礎，但縱觀在當前新市場經濟常態下，隨著企業規模和數量的持續增加，企業市場競爭也愈演愈烈，作為數控機床的關鍵部件之一——主軸熱誤差問題的存在，給企業整體發展而言造成了極為不利的影響。鑒于此，本文主要針對臥式數控加工中心主軸熱誤差測量及數據分析，對熱誤差有效控制措施進行了系統化剖析，由此為企業預期發展目標的實現創造良好條件。

關鍵詞：臥式數控機床;加工中心;主軸熱誤差;數據分析;防控手段

在臥式數控機床作業過程中，熱性能對于加工作業的穩定性和可靠性有著重要影響，而隨著近年來工業化建設進程的不斷加快，數控機床應用范圍在持續增加的同時，主軸熱誤差問題的存在在很大程度上嚴重影響了加工的精準度，為此加大對臥式數控加工中心主軸熱誤差問題的深入探討，是推動企業進一步發展的重要戰略基礎。

一、臥式數控加工中心主軸熱誤差數據剖析

作為臥式數控機床的重要部件，主軸在調控機床加工精密度控制以及智能化發展方面發揮了重要作用，而近年來隨著企業作業量的持續增加，在生產過程中由于機床熱變形引發的誤差問題成為了現階段精密機床主要誤差來源之一，給企業整體發展造成了極為不利的影響，因此對臥式數控加工中心主軸熱誤差數據進行系統化和合理化剖析是十分必要的。

（一）臥式數控加工中心主軸熱誤差測量方式

經大量調研數據分析可知，臥式數控加工中心內部軸承在高速運轉時會形成大量熱，進而導致主軸發生形變，在進行測量過程中倘若工作人員依據采取傳統測量方式，在影響整體測量數據結果精準度的同時，企業整體發展也勢必受到了一定影響。就目前來看，為從根本上有效地規避上述問題，在進行測量過程中，工作人員需采取恰當的手段和方式方法對主軸熱誤差進行測量，具體而言就是在測量時，工作人員需依據主軸熱誤差綜合特征描述矩陣，構建熱誤差測量系統（系統的構成模塊主要包括多通道數據采集模塊、溫度傳感器、位移傳感器、熱成像儀和測量數據同步顯示模塊），通過采取“接觸與非接觸組合”的方法對主軸溫度場進行數據測量。

在進行檢測時，對于現階段已經存在的不良問題，為確保檢測數據的科學性、合理性和規范性，基層產業機構和相關部門工作人員需嚴格按照如下檢測流程進行作業，即“使用紅外熱成像儀采用非接觸方法測量主軸——使用P1T0鉑溫度傳感器采用接觸式方法 測量主軸溫度場”。在進行測量過程中，為確保測量的精準度和可靠性，工作人員還要選用五點法（在x和Y方向分開布設兩個位移傳感器對各自方向上的熱傾斜和熱漂移進行測量，在z方向上布設一個位移傳感器對軸向伸長進行測量）來檢測主軸熱誤差。

（二）主軸有效測溫點設定

就目前來看在進行測量過程中，由于受諸多不可控因素的影響，測量數據結果精準度往往難以保證，故此為從根本上有效地解決上述問題，在進行檢測過程中，工作人員還要在主軸上設定有效測溫點，具體而言有效測溫點的設定可采用相關系數法，即綜合考量z熱伸長及Y向熱漂移的基礎上，挑選出對熱位移影響明顯的主要測溫點作為代表點，究其原因主要是因為通過大量調研數據分析可知，不同部位的數控機床在溫度變化時熱形變量也不盡相同，只有選擇最具代表性的熱誤差敏感點，并以此進行熱誤差補償建模，才能切實保證后續檢測作業的有效落實。

（三）主軸熱誤差數據分析

從目前來看，在進行主軸熱誤差測量過程中，由于受諸如高低轉速切換與階梯轉速切換等因素的影響，主軸熱誤差數據的產生在影響整體數據測量結果精準度的同時，給企業可持續發展造成了極為不利的影響，為此對主軸熱舞查數據進行合理化剖析，也是現階段推動產業可持續發展的重要戰略基礎。根據大量調研數據分析可知，主軸溫度會隨著旋轉時間和轉速變化而改變，即時間和轉速增加溫度升高，時間和轉速降低溫度下降，且在某一轉速條件下，溫升會達到某一極限值，在該值狀態下，其隨主軸旋轉保持均衡溫度場狀態。在進行數據采集過程中，檢測工作人員可在主軸溫度場保持恒定溫度一段時間內，通過切換轉速來采集特定轉速下的最大熱變形和最高溫升。

二、臥式數控加工中心主軸熱誤差的控制手段

（一）溫度控制

據調查在我是數控機床使用過程中，其熱形變的主要誘導因素是熱源，因此對熱源進行合理化調控是目前降低熱誤差問題發生率，確保數據測量精準度的重要手段。在進行熱源調控過程中，為保證機床良好的熱態精度，工作人員不僅可調控熱源來降低主軸溫升，與此同時也可采取平衡溫度場方法來規避形變，具體而言就是工作人員可利用恒溫冷卻機來冷卻處理流經主軸箱或主軸軸承的潤滑油，由此規避主軸軸承溫度上升，與此同時工作人員還可采取空氣循環冷卻或水內冷卻方式在主軸箱內圍繞如主軸軸承外環等主要熱源設置換熱冷卻套，來冷卻主軸部件。

（二）機床改造

在進行熱誤差控制過程中，除了采取溫度控制外，企業還可對機床進行不斷改進，由此通過降低機床對溫度敏感度的同時，來達到預期的降溫處理目的，最終為企業的可持續發展奠定良好基礎。在進行機床設計過程中，為達到預期的“熱態結構優化設計”目的，工作人員需在綜合考慮潤滑油路布設、尺寸參數、結構類型、熱源設置等因素的前提下，通過優化大件設計方案和構造，由此在降低形變量的同時，控制機床機構的熱位移，與此同時相關人員在進行機床改造過程中，還要盡可能地選用比金屬導體具有更高導熱率的材料置于機床關鍵發熱體位置，由此在改進機床導熱率的同時，實現溫度場均衡。

（三）誤差補償

在進行熱誤差控制過程中，誤差補償是提高機床加工精度的重要手段，與其它兩種控制方式相比，經濟性和穩定性是這種改造方式的顯著應用優勢。簡單來講，“誤差補償”核心是建立一個可預測誤差的數學模型，在加工過程中利用這個模型預測誤差進行實時補償，預先標定誤差補償和主動誤差補償是最常用的兩種誤差補償方式，減少主軸發熱量（采用非接觸式迷宮密封氣封代替接觸式密封減少系統內部熱源數量）、改善主軸散熱條件（采用強制油（水）冷，在主軸外周加螺旋冷卻油（水）槽，對前后軸承設計專用的冷卻回路）、進行熱對稱結構設計等則是改善主軸系統熱特性的主要措施。

三、結語

簡而言之，在當前新產業時代背景下，隨著臥式數控加工機床的廣泛應用，企業生產質量和效率取得突破性進展的同時，主軸熱誤差問題的存在在很大程度上對企業可持續發展造成了極為不利的影響，為此要想從根本上降低上述問題的發生率，逐步提升加工中心主軸工作精度，工作人員需從溫度控制、機床改造和誤差補償三方面對熱誤差進行調控，以此來推動產業的進一步發展。

參考文獻：

[1]劉啟偉，劉春時，馬曉波.臥式加工中心主軸溫度場預測與熱誤差分布[J].制造技術與機床，2012，12（15）：133-135.

[2]陳松，張建華，王水青.數控機床熱誤差測點優化模型預測與實時補償的研究[J].組合機床與自動化加工技術，2013，12（12）：111-112.

[3]李繼堂，徐海華，張家平.加工中心主軸溫升實驗裝置的設計[J].制造技術與機床，2013，12（15）：166-169.

[4]趙強華，劉素明，張令陽.機床熱變形產生機理及控制措施[J].煤礦機械，2008，19（13）：160-161.

[5]陶湘保，張德賢，劉筱連.機床熱變形的主動補償[J].中國機械工程，2019，12（8）：923-926.

[6]倪軍，徐海華，李志明.數控機床誤差補償研究的回顧及展望[J].中國機械工程，2017（1）：29-33 .