數(shù)控機(jī)床熱伸長研究

郭翠娟，杜長林，張海波，孫宏偉，鄧鑫，張國帥，喬首銜

（科德數(shù)控股份有限公司，遼寧 大連 116600）

0 引言

隨著技術(shù)的進(jìn)步和社會的發(fā)展，各制造相關(guān)行業(yè)對數(shù)控機(jī)床的加工精度要求越來越高，尤其是一些精密加工場合，要求機(jī)床精度達(dá)到微米級甚至亞微米級。然而在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計制造過程中會發(fā)現(xiàn)，從十道級到道級可能通過提高設(shè)計精度、加工精度、裝配精度等即可以實現(xiàn)，但從道級到微米級精度時，除制造精度的影響外，熱量對于機(jī)床精度的影響尤為凸顯，尤其是加工末端主軸處[1]。國外對這方面的研究和應(yīng)用已有很長歷史，國內(nèi)的研究也比較早，但應(yīng)用上的差距還比較大。因此如何檢測主軸的熱伸長以及如何進(jìn)行消除或補(bǔ)償一直是國內(nèi)研究的熱點，且迫切需要解決。本文針對熱伸長的檢測方法及補(bǔ)償原理進(jìn)行了闡述，總結(jié)了目前幾種有效的解決思路，為數(shù)控機(jī)床的高精度設(shè)計及應(yīng)用提供了依據(jù)。

1 主軸及箱體熱變形分析及控制方法

機(jī)床在運轉(zhuǎn)過程中，主軸作為主要的發(fā)熱源之一，且處于加工的終端，對機(jī)床的實際加工精度影響極大。主軸發(fā)熱對機(jī)床整體的影響是多位置、多方向的，比較復(fù)雜，但在主軸軸向方向引起的伸長變形是最大的。目前測試發(fā)現(xiàn)，因主軸發(fā)熱導(dǎo)致軸向精度變化主要有兩部分，一是主軸自身的熱伸長L1，二是安裝主軸的箱體部分的熱伸長L2，如圖1所示。

圖1 熱伸長量的組成

1.1 主軸熱變形研究分析

對于主軸自身的熱伸長也包括兩部分：1）芯軸前方安裝刀具的端面相對主軸軸承固定法蘭之間的伸長，如圖1所示L3；2）主軸固定法蘭相對于主軸與箱體連接法蘭之間的伸長，如圖1所示L4。目前產(chǎn)品只能對L3進(jìn)行實時測量及補(bǔ)償，且測量及補(bǔ)償?shù)木瓤梢赃_(dá)到微米或亞微米級。近幾年逐漸成熟的方法是在主軸前端加裝位移傳感器，直接測量讀取伸長量[2]。這種方式在國外的應(yīng)用已比較成熟，近幾年國內(nèi)廠商也有應(yīng)用，而且市場上要求數(shù)控機(jī)床具有主軸熱伸長檢測及補(bǔ)償功能的用戶越來越多。這種測量方式如圖2所示。

圖2 內(nèi)置式主軸熱伸長測量

圖3 外置式主軸熱伸長測量

內(nèi)置式的方式和主軸結(jié)構(gòu)做成一體，在機(jī)床實際使用過程中實時檢測主軸的伸長量并進(jìn)行實時補(bǔ)償；外置式的方式僅是對主軸伸長進(jìn)行線下檢測的一種方法，可充分測試并將采集的數(shù)值輸入機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)，進(jìn)行補(bǔ)償，這種檢測方式直接檢測刀柄端面，是最直接的測量方法，數(shù)值比內(nèi)置式更準(zhǔn)確，但因不是實時檢測，擬合后的數(shù)據(jù)也會存在誤差。

因目前具有這種配置的主軸產(chǎn)品還不是主流產(chǎn)品，主要是因為成本增高，且后續(xù)在機(jī)床上的應(yīng)用效果還有待提升，因此前期采用這種外置式的測試方法對主軸熱伸長量進(jìn)行測量，對機(jī)床的使用有個預(yù)期，也是個不錯的方法。

內(nèi)置式測量如圖2所示，將傳感器安裝在前端固定法蘭上，檢測件安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上，靠近前端，主軸旋轉(zhuǎn)過程中，通過傳感器檢測檢測件沿軸向的變化量。通過傳感器的控制器將信號轉(zhuǎn)化為位移量輸送給控制系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)值通過移動Z軸滑枕進(jìn)行Z方向的補(bǔ)償。該補(bǔ)償?shù)木热Q于傳感器的精度及機(jī)床的運動精度等，精度相對比較高。

對于主軸熱變形的L4，不涉及旋轉(zhuǎn)件，主要是軸承套和法蘭等因受熱而伸長的量。通常主軸前軸承套內(nèi)會安裝軸承測溫傳感器，但主要是對軸承溫度的監(jiān)控，避免軸承使用過程中溫度過高而燒損，該傳感器設(shè)置盡量靠近軸承外圈，如果以此溫度作為軸承套和法蘭的溫度來計算零件的熱伸長量，會造成一定的誤差。如果軸承套帶冷卻結(jié)構(gòu)，該處的伸長量相對比較少，目前多不考慮該處的伸長。但是在精密加工領(lǐng)域，該處也會引起微米級的影響。對于沒有冷卻的結(jié)構(gòu)，該處的伸長量能達(dá)到10 μm級。該處針對機(jī)床精度要求做相應(yīng)處理，可以再埋設(shè)傳感器測量軸承套的溫度，從而間接計算伸長量。

1.2 箱體熱變形研究分析

對于安裝主軸的箱體的伸長量則相對復(fù)雜，因機(jī)床運動特點，無法通過安裝上述傳感器進(jìn)行實時的直接測量。目前多采用布置溫度傳感器，讀取溫度值，再通過計算擬合和試驗數(shù)據(jù)擬合出溫度-變形曲線，然后將該算法輸入數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償[3-6]。這種補(bǔ)償?shù)妮斎肓烤褪遣杉降臏囟龋鶕?jù)不同的算法需求，可能需要滑枕不同位置的溫度和環(huán)境溫度等。這種方法的精確度影響因素較多，與溫度的采集點有很大關(guān)系[7]。且這種補(bǔ)償只是近似擬合，不同算法下的誤差大小差別也比較大。算法的準(zhǔn)確性還要和實際測量結(jié)果進(jìn)行對比和修正。而且箱體在運動方向所處位置不同對實際伸長結(jié)果也會有影響。

尤其需要注意的是，滑枕的伸長占總伸長量的絕大部分，因此僅解決主軸部分的熱伸長測量補(bǔ)償還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。

2 主軸及箱體熱變形實驗研究

早期未使用熱伸長檢測傳感器時可采用千分表的方式對某機(jī)床的Z向伸長量進(jìn)行測量[8－9],或通過紅外測溫、激光測距等方法[10]，如圖4所示。

圖4 千分表法測量熱伸長

將需要關(guān)注的溫度位置貼上熱敏電阻或用紅外線測溫儀，在需要關(guān)注的變形點架上千分表，在冷機(jī)狀態(tài)下開始旋轉(zhuǎn)主軸，記錄不同時間下相關(guān)測溫點的溫度及Z軸的伸長量，該伸長包括滑枕的伸長、主軸法蘭的伸長、主軸芯軸的伸長等。因主軸在高速旋轉(zhuǎn)過程中不得接觸表針，主軸前端面的最后總伸長量我們通過快速移動千分表的方式來進(jìn)行檢測。

因試驗數(shù)據(jù)較多，僅截取了部分?jǐn)?shù)據(jù)（如表1）。

表1 機(jī)床伸長量測量

表2 哈默某型號機(jī)床伸長量

我們還觀察了德國哈默的機(jī)床，在主軸旋轉(zhuǎn)的過程中，通過控制面板可看到Z軸坐標(biāo)在溫度穩(wěn)定前一直在向上移動，移動速度由快到慢最后趨于零。可見哈默機(jī)床是已經(jīng)做了溫度監(jiān)測及熱伸長補(bǔ)償?shù)摹Ｒ虼嗽谕?guī)格大小的機(jī)床中，尤其是在未進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋C(jī)床中，該機(jī)床精度相對是較高的。

通過測試發(fā)現(xiàn)，因主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱導(dǎo)致的Z 向精度變化很大，而其中由于主軸運轉(zhuǎn)導(dǎo)致滑枕的伸長占了總伸長量的很大一部分，同時主軸也不只是芯軸相對法蘭有伸長，法蘭自身也會伸長。因此主軸采用內(nèi)置式位移檢測傳感器還會存在法蘭變形導(dǎo)致的誤差。而以上所有的變形量都和主軸的運轉(zhuǎn)發(fā)熱有關(guān)，因此減少主軸的發(fā)熱，以及阻隔主軸熱量向滑枕的傳遞是減少機(jī)床熱伸長的關(guān)鍵點。

3 目前有效的解決思路

目前針對上述熱變形有效的解決辦法主要有：1）主軸加裝傳感器進(jìn)行測量及補(bǔ)償[11-12]。2）機(jī)床整機(jī)采用熱對稱的設(shè)計理念進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計[13]，使得熱變形的方向盡可能單一，方便后續(xù)處理，目前的有限元軟件也可以進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[14-15]，可以在設(shè)計階段對將來的熱變形有初步的了解和措施。3）恒溫車間的應(yīng)用。多數(shù)數(shù)控機(jī)床會要求比較好的應(yīng)用環(huán)境，越是高精度的機(jī)床對環(huán)境溫度要求越苛刻，通常會要求到±1 ℃的溫度變化，這對于減少熱變形、提高機(jī)床的精度和使用壽命有很大作用。4）比較通用且成本較低的做法是要求用戶在開機(jī)使用前對機(jī)床進(jìn)行熱機(jī)，這種做法在國內(nèi)外已非常普遍，有張貼警示貼要求的，也有強(qiáng)制性啟動程序執(zhí)行的。不過隨著社會發(fā)展，很多客戶希望開機(jī)就能工作，提高效率，增加收益。因此出現(xiàn)了恒溫主軸、恒溫機(jī)床的概念，以達(dá)到從根本上消除熱變形，整個機(jī)床在使用過程中處于一個恒定的溫度，沒有溫度的變化就沒有因溫升導(dǎo)致的變形。

現(xiàn)有主軸結(jié)構(gòu)很容易實現(xiàn)對軸承外圈、電動機(jī)定子等的冷卻，因為這些位置的冷卻進(jìn)出口均在固定零件上，而對于恒溫主軸的結(jié)構(gòu)上的突破即是在現(xiàn)有主軸結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上給主軸芯軸加裝冷卻，這是減少主軸熱伸長的一個有效途徑，通過給旋轉(zhuǎn)的主軸進(jìn)行冷卻，直接降低芯軸的溫升，減少伸長。但因需要給旋轉(zhuǎn)中的芯軸進(jìn)行冷卻液的供給，難度較大。國際上Fisher、Step-tec、牧野等廠商在芯軸冷卻上比較成熟。國內(nèi)近兩年也有廠家在做這方面的嘗試，但基于成本和難度，目前沒有成熟的產(chǎn)品在售賣，多處于研究或試制階段。而且恒溫主軸通常采用獨立的精密的冷卻設(shè)備，單獨對主軸內(nèi)的冷卻液進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控。

此外主軸電動機(jī)的冷卻近年在結(jié)構(gòu)上也有所改進(jìn)，通常電動機(jī)套筒的冷卻為螺旋型環(huán)槽冷卻，而近些年國外的一些電動機(jī)的套筒做了一些改變，采用細(xì)密的冷卻槽，如圖5所示。

圖5 螺旋槽冷卻

圖6 新冷卻水道

通過核算，新的冷卻水道面積比之前的更大，在相同流量的前提下，第二種冷卻效果更好。有的主軸廠商也把這種冷卻叫傾瀉式冷卻。

有研究表明，在相同的冷卻槽下，在一定流量范圍內(nèi)，通過加大冷卻流量，可明顯降低電動機(jī)的溫度[16]。針對某款電主軸進(jìn)行了測試，為保證主軸不損壞，流量不能無限縮小，僅對3個流量（5.8 L/min、8 L/min、10 L/min）進(jìn)行了測試，結(jié)果顯示，隨著流量的加大，電動機(jī)最終穩(wěn)定溫度沒有改變，但達(dá)到穩(wěn)定溫度的時間明顯縮短，可以說明5.8 L/min的流量對該電動機(jī)冷卻已足夠，如想縮短預(yù)熱時間，可采取這種方式。測試結(jié)果如圖7所示。

圖7 主軸流量測試

對于恒溫機(jī)床，主要是對相關(guān)結(jié)構(gòu)件進(jìn)行恒溫冷卻，如床身、滑枕滑鞍等。使得機(jī)床在使用過程中一直處于一種溫度微小變化的狀態(tài)。大大減小機(jī)床結(jié)構(gòu)件因為溫度的變化而造成的變形問題。其次給機(jī)床相關(guān)結(jié)構(gòu)件外圍加裝保溫層也是一種有效方式。像日本牧野、安田高精度的機(jī)床多采用這種方式。

除了機(jī)械結(jié)構(gòu)上為恒溫主軸、恒溫機(jī)床做好準(zhǔn)備，還需在冷卻設(shè)備、精密控制上配合到位，才能真正地實現(xiàn)恒溫。

以上幾種方法都是目前市場上在用的比較有效的解決機(jī)床熱伸長的方法。主要還是要在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，從根本上減少發(fā)熱、增加散熱、減少熱變形等，其次再考慮用補(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)行精度補(bǔ)償。

4 結(jié)語

本文對導(dǎo)致主軸前端面的熱伸長進(jìn)行了詳細(xì)分析與測量，指出了影響精度及進(jìn)行補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵幾個尺寸。但測量和補(bǔ)償?shù)姆椒ㄖ皇窃跓o法避免變形的情況下的補(bǔ)救措施，存在一定的誤差。而主軸冷卻設(shè)計、機(jī)床熱對稱設(shè)計、減少熱源發(fā)熱和高精度恒溫冷卻才是減少機(jī)床熱變形的根本方向。恒溫電主軸、恒溫機(jī)床為精密機(jī)床提供了根本的解決思路，是高精度數(shù)控機(jī)床未來的發(fā)展趨勢。