数控机床.docx

数控机床导语：机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热和冷却介质的影响，造成机床各部的温升不均匀，导致机床形态精度及加工精度的变化。机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热和冷却介质的影响，造成机床各部的温升不均匀，导致机床形态精度及加工精度的变化。例如，在一台普通精度的数控铣床上加工70mm×1650mm的螺杆，上午700铣削的工件与下午230加工的工件相比，累积误差的变化可达85m。而在恒温条件下，那么误差可减小至40m。再如，一台用于双端面磨削0.63.5mm厚的薄钢片工件的精细双端面磨床，在验收时加工200mm×25mm×1.08mm钢片工件能到达mm的尺寸精度，弯曲度在全长内小于5m。但连续自动磨削1h后，尺寸变化范围增大到12m，冷却液温度由开机时的17上升到45。由于磨削热的影响，导致主轴轴颈伸长，主轴前轴承间隙增大。据此，为该机床冷却液箱添加一台5.5kW制冷机，效果特别理想。理论证明，机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。但机床是处在温度随时随处变化的环境中；机床本身在工作时必然会消耗能量，这些能量的相当一局部会以各种方式转化为热，引起机床各构件的物理变化，这种变化又因为构造形式的不同，材质的差异等原因此千差万别。机床设计师应掌握热的形成机理和温度分布规律，采取相应的措施，使热变形对加工精度的影响减少到最小。一、机床的温升及温度分布1、自然气候影响我国幅员辽阔，大局部地区处于亚热带地区，一年四季的温度变化较大，一天内温差变化也不一样。由此，人们对室内如车间温度的干预的方式和程度也不同，机床周围的温度气氛千差万别。例如，长三角地区季节温度变化范围约45左右，昼夜温度变化约512。机加工车间一般冬天无供热，夏天无空调，但只要车间通风较好，机加工车间的温度梯度变化不大。而东北地区，季节温差可达60，昼夜变化约815。每年10月下旬至次年4月初为供暖期，机加工车间的设计有供暖，空气流通缺乏。车间内外温差可达50。因此车间内冬季的温度梯度特别复杂，测量时室外温度1.5，时间为上午835，车间内温度变化约3.5。精细机床的加工精度在这样的车间内受环境温度影响将是很大的。2、周围环境的影响机床周围环境是指机床近间隔范围内各种布局形成的热环境。它们包括以下3个方面。1车间小气候：如车间内温度的分布垂直方向、程度方向。当昼夜交替或者气候和通风变化时车间温度均会产生缓慢变化。2车间热源：如太阳照射、供暖设备和大功率照明灯的辐射等，它们离机床较近时可直接长时间影响机床整体或者局部部件的温升。相邻设备在运行时产生的热量会以辐射或者空气流动的方式影响机床温升。3散热：地基有较好的散热作用，尤其是精细机床的地基切忌靠近地下供热管道，一旦破裂泄漏时，可能成为一个难以找到原因的热源；敞开的车间将是一个很好的“散热器，有利于车间温度平衡。4恒温：车间采取恒温设施对精细机床保持精度和加工精度是很有效果的，但能耗较大。3、机床内部热影响因素1机床构造性热源。电动机发热如主轴电动机、进给伺服电动机、冷却光滑泵电动机、电控箱等均可产生热量。这些情况对电动机本身来讲是允许的，但对于主轴、滚珠丝杠等元器件那么有重大不利影响，应采取措施予以隔离。当输入电能驱动电动机运转时，除了有少局部约20%左右转化为电动机热能外，大局部将由运动机构转化为动能，如主轴旋转、工作台运动等；但不可防止的仍有相当局部在运动经过中转化为摩擦发热，例如轴承、导轨、滚珠丝杠和传动箱等机构发热。2工艺经过的切削热。切削经过中刀具或者工件的动能一局部消耗于切削功，相当一局部那么转化切削的变形能和切屑与刀具间的摩擦热，形成刀具、主轴和工件发热，并由大量切屑热传导给机床的工作台夹具等部件。它们将直接影响刀具和工件间的相对位置。3冷却。冷却是针对机床温度升高的反向措施，如电动机冷却、主轴部件冷却和根底构造件冷却等。高端机床往往对电控箱配制冷机，予以强迫冷却。4、机床的构造形态对温升的影响在机床热变形领域讨论机床构造形态，通常指构造形式、质量分布、材料性能和热源分布等问题。构造形态影响机床的温度分布、热量的传导方向、热变形方向及匹配等。1机床的构造形态。在总体构造方面，机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等，对于热的响应和稳定性均有较大差异。例如齿轮变速的车床主轴箱的温升可高达35，使主轴端上抬，热平衡时间需2h左右。而斜床身式精细车铣加工中心，机床有一个稳定的底座。明显进步了整机刚度，主轴采用伺服电动机驱动，去除了齿轮传动局部，其温升一般小于15。2热源分布的影响。机床上通常认为热源是指电动机。如主轴电动机、进给电动机和液压系统等，其实是不完全的。电动机的发热只是在承当负荷时，电流消耗在电枢阻抗上的能量，另有相当一局部能量消耗于轴承、丝杠螺母和导轨等机构的摩擦功引起的发热。所以可把电动机称为一次热源，将轴承、螺母、导轨和切屑称之为二次热源。热变形那么是所有这些热源综合影响的结果。一台立柱挪动式立式加工中心在Y向进给运动中温升和变形情况。Y向进给时工作台未作运动，所以对X向的热变形影响很小。在立柱上，离Y轴的导轨丝杠越远的点，其温升越小。该机在Z轴挪动时的情况那么更进一步讲明了热源分布对热变形的影响。Z轴进给离X向更远，故热变形影响更小，立柱上离Z轴电动机螺母越近，温升及变形也越大。3质量分布的影响。质量分布对机床热变形的影响有三方面。其一，指质量大小与集中程度，通常指改变热容量和热传递的速度，改变到达热平衡的时间；其二，通过改变质量的布置形式，如各种筋板的布置，进步构造的热刚度，在同样温升的情况下，减小热变形影响或者保持相对变形较小；其三，那么指通过改变质量布置的形式，如在构造外部布置散热筋板，以降低机床部件的温升。4材料性能的影响：不同的材料有不同的热性能参数比热、导热率和线膨胀系数，在同样热量的影响下，其温升、变形均有不同。二、机床热性能的测试1、机床热性能测试的目的控制机床热变形的关键是通过热特性测试，充分解析机床所处的环境温度的变化，机床本身热源及温度变化和关键点的响应变形位移。测试数据或者曲线描绘一台机床热特性，以便采取对策，控制热变形，进步机床的加工精度和效率。详细地讲，应到达以下几个目的：1机床周围环境测试。测量车间内的温度环境，它的空间温度梯度，昼夜交替中温度分布的变化，甚至应测量季节变化对机床周围温度分布的影响。2机床本身的热特性测试。尽可能地排除环境干扰的条件下，让机床处于各种运转状态，以测量机床本身的重要点位的温度变化、位移变化，记录在足够长的时间段内的温度变化和关键点位移，可以用红外线热相仪记录各时间段热分布的情况。3加工经过测试温升热变形，以判断机床热变形对加工经过精度的影响。4上述试验可积累大量的数据、曲线，将为机床设计和使用者控制热变形提供可靠的判据，指出采取有效措施的方向。2、机床热变形测试的原理热变形测试首先需要测量假设干相关点的温度，包含以下几方面：1热源：包括各局部进给电动机、主轴电动机、滚珠丝杠传动副、导轨、主轴轴承。2辅助装置：包括液压系统、制冷机、冷却和光滑位移检测系统。3机械构造：包括床身、底座、滑板、立柱和铣头箱体和主轴。在主轴和回转工作台之间夹持有铟钢测棒，在X、Y、Z方向配置了5个接触式传感器，测量在各种状态下的综合变形，以模拟刀具和工件间的相对位移。3、测试数据处理分析机床热变形试验要在一个较长的连续时间内进展，进展连续的数据记录，经过分析处理，所反映的热变形特性可靠性很高。假如通太多次试验进展误差剔除，那么所显示的规律性是可信的。主轴系统热变形试验中共设置了5个测量点，其中点1、点2在主轴端部和靠近主轴轴承处，点4、点5分别在铣头壳体靠近Z向导轨处。测试时间共持续了14h，其中前10h主轴转速分别在09000r/min范围内交替变速，从第10h开场，主轴持续以9000r/min高速旋转。可以得到以下结论：1该主轴的热平衡时间约1h左右，平衡后温升变化范围1.5；2温升主要;于主轴轴承和主轴电动机，在正常变速范围内，轴承的热态性能良好；3热变形在X向影响很小；4Z向伸缩变形较大，约10m，是由主轴的热伸长及轴承间隙增大引起的；5当转速持续在9000r/min时，温升急剧上升，在2.5h内急升7左右，且有继续上升的趋势，Y向和Z向的变形到达了29m和37m，讲明该主轴在转速为9000r/min时已不能稳定运行，但可以短时间内20min运行。三、机床热变形的控制由以上分析讨论，机床的温升和热变形对加工精度的影响因素多种多样，采取控制措施时，应抓住主要矛盾，重点采取一、二项措施，获得事半功倍的效果。在设计中应从4个方向入手：减少发热，降低温升，构造平衡，合理冷却。1、减少发热控制热源是根本的措施。在设计中要采取措施有效降低热源的发热量。1合理选取电动机的额定功率。电动机的输出功率P等于电压V和电流I的乘积，一般情况下，电压V是恒定的，因此，负荷的增大，意味着电动机输出功率增大，即相应的电流I也增大，那么电流消耗在电枢阻抗的热量增大。假设我们所设计选择的电动机长时间在接近或者大大超过额定功率的条件下工作，那么电动机的温升明显增大。为此，对BK50型数控针槽铣床铣头进展了比照试验电动机转速：960r/min；环境温度：12。从上述试验得到以下概念：从热源性能考虑，无论主轴电动机还是进给电动机，选择额定功率时，最好选比计算功率大25%左右为宜，在实际运行中，电动机的输出功率与负荷相匹配，增大电动机额定功率对于能耗的影响很小。但可有效降低电动机温升。2构造上采取适当措施，减小二次热源的发热量，降低温升。例如：主轴构造设计时，应进步前后轴承的同轴度，采用高精度轴承。在可能的条件下，将滑动导轨改为直线滚动导轨，或者采用直线电动机。这些新技术都可以有效地减小摩擦、减少发热、降低温升。3在工艺上，采用高速切削。基于高速切削的机理。当金属切削的线速度高于一定范围时，被切削金属来不及产生塑性变形，切屑上不产生变形热，切削能量大多数转化为切屑动能被带走。2、构造平衡，以降低热变形在机床上，热源是永远存在的，进一步需要关注的是怎样让热传递方向和速度有利于减少热变形。或构造又有很好的对称性，使热传递经沿对称方向，使温度分布均匀，变形相互抵消，成为热亲和构造。1预应力和热变形。在较高速的进给系统中，往往采用滚珠丝杠两端轴向固定，形成预拉伸应力。这种构造对高速进给来讲，除了进步动静态稳定性外，对于降低热变形误差具有明显作用。在全长600mm内预拉伸35m的轴向固定构造在不同的进给速度下温升比拟接近。两端固定预拉伸构造的累积误差明显小于单端固定另一端自由伸长的构造。在两端轴向固定预拉伸构造中，发热引起的温升主要是改变丝杠内部的应力状态由拉应力变为零应力或者压应力。因此对位移精度影响较小。2改变构造，改变热变形方向。采用不同滚珠丝杠轴向固定构造的数控针槽铣床Z轴主轴滑座在加工中要求铣槽深度误差5m。采用丝杠下端轴向浮动构造，在加工2h内，槽深逐渐加深从0到0.045mm。反之，采用丝杠上端浮动的构造，那么能确保槽深变化。3机床构造几何形状的对称，可令热变形走向一致，使刀尖点的漂移尽量减小。例如，日本安田Yasda精细工具公司推出的YMC430微加工中心是亚微米高速加工机床，机床的设计对热性能进展了充分的考虑。首先在机床构造上采取完全对称布局，立柱和横梁是一体化构造，呈H型，相当于双立柱构造，具有良好的对称性。近似圆形的主轴滑座无论在纵向还是横向也都是对称的。3个挪动轴的进给驱动均采用直线电动机，构造上更加容易实现对称性，2个回转轴采用直接驱动，尽量减少机械传动的摩擦损耗和。3、合理的冷却措施1加工中的冷却液对加工精度的影响是直接的。对GRV450C型双端面磨床进展了比照试验。试验说明：借助制冷机对冷却液进展热交换处理，对进步加工精度非常有效。使用传统的冷却液供应方式，30min后，工件尺寸就超差。采用制冷机后，可以正常加工到70min以上。在80min时工件尺寸超差的主要原因是砂轮需修整去除砂轮面上的金属屑，修整后马上即可回复原来的加工精度。效果非常明显。同样，对于主轴的强迫冷却也能期望得到非常好的效果。2增加自然冷却面积。例如在主轴箱体构造上添加自然风冷却面积，在空气流通较好的车间内，也能起到很好的散热效果。3及时自动排屑。及时或者实时将高温切屑排出工件、工作台及刀具局部，将特别有利于减少关键局部的温升和热变形。0