3机床热性能的测试

　　3.1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，充分了解机床所处的环境温度的变化，机床本身热源及温度变化以及关键点的响应(变形位移)。测试数据或曲线描述一台机床热特性，以便采取对策，控制热变形，提高机床的加工精度和效率。具体地说，应达到以下5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，也可用红外线热相仪记录各时间段热分布的情况。

　　(3)加工过程测试温升热变形，以判断机床热变形对加工过程精度的影响。

　　(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。

　　3.2机床热变形测试的原理

　　从图中可见，热变形测试首先需要测量若干相关点的温度，包含以下几方面：

　　(1)热源：包括各部分进给电动机、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、冷却和润滑位移检测系统。

　　(3)机械结构：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。

　　该图描述了机床运转负荷状态，可以分步单独运行测试，以记录各种负荷状态对热变形的影响。例如，主轴以不同速度旋转，各进给轴分别以不同速度进给，刀具切削状态下，有无润滑和冷却状态，加入恒定载荷，变化载荷或混合载荷，也包括考虑加入实际运行中的方式等因素。

　　3.3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行，进行连续的数据记录，经过分析处理，所反映的热变形特性可靠性很高。如果通过多次试验进行误差剔除，则所显示的规律性是可信的。

　　主轴系统热变形试验的记录曲线如图5所示。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0～9000r/min范围内交替变速，从第10h开始，主轴持续以9000r/min高速旋转。从图中可以得到以下结论：

　　(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)温升主要来源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，约 (4)Z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向的变形达到了29m和37m，说明该主轴在转速为9000r/min时已不能稳定运行，但可以短时间内(20min)运行。

　　4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，取得事半功倍的效果。在设计中应从4个方向入手：减少发热，降低温升，结构平衡，合理冷却。

　　4.1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，则电流消耗在电枢阻抗的热量增大。若我们所设计选择的电动机长时间在接近或大大超过额定功率的条件下工作，则电动机的温升明显增大。为此，对BK50型数控针槽铣床铣头进行了对比试验（电动机转速：960r/min；环境温度：12℃），结果见表1。

　　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，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)结构上采取适当措施，减小二次热源的发热量，降低温升。例如：主轴结构设计时，应提高前后轴承的同轴度，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。

　　4.2结构平衡，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如何让热传递方向和速度有利于减少热变形。或者结构又有很好的对称性，使热传递经沿对称方向，使温度分布均匀，变形互相抵消，成为热亲和结构。

　　(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。这种结构对高速进给来说，除了提高动静态稳定性外，对于降低热变形误差具有明显作用。滚珠丝杠固定方式对进给驱动系统热变形的影响如图6所示。

　　在全长600mm内预拉伸35m的轴向固定结构在不同的进给速度下温升比较接近。两端固定预拉伸结构的累积误差明显小于单端固定另一端自由伸长的结构。在两端轴向固定预拉伸结构中，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压应力。因此对位移精度影响较小。

　　(2)改变结构，改变热变形方向。

　　采用不同滚珠丝杠轴向固定结构的数控针槽铣床Z轴主轴滑座如（图7）。在加工中要求铣槽深度误差5m。采用丝杠下端轴向浮动结构，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结构，则能确保槽深变化 (3)机床结构几何形状的对称，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）精密工具公司推出的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行了充分的考虑，其总体结构配置如图8所示。

　　从图中可见，首先在机床结构上采取完全对称布局，立柱和横梁是一体化结构，呈H型，相当于双立柱结构，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个移动轴的进给驱动均采用直线电动机，结构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。

　　4.3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型双端面磨床进行了对比试验，其数据见表2。试验表明：借助制冷机对冷却液进行热交换处理，对提高加工精度非常有效。

　　使用传统的冷却液供给方式，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。例如在主轴箱体结构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。及时或实时将高温切屑排出工件、工作台及刀具部分，将十分有利于减少关键部分的温升和热变形。

　　5展望与愿景

　　控制机床热变形是现代精密加工领域的一个重要课题，影响机床热变形的因素又是非常复杂的。再者，现代切削加工中的高速、高效、精密三者并举，则令机床的热变形问题更显突出。引起了机床制造界的广泛重视。国内外机床界学者为此作了大量的研究，在理论上取得了相当的进展。机床热变形问题已成为机床研究中的基本理论之一。

　　本文从机床设计和应用的角度分析了机床热性能的影响因素，测量与分析方法并提出了改进设计措施。由此，我们认为机床热性能的优化设计应从以下方面着手：

　　(1)现代高端机床的设计阶段，就应重视所设计机床未来应用的环境条件。

　　(2)控制和配置热源是关键。控制热源主要是指控制能耗与动力源的匹配，采用新型结构，减少二次摩擦热源，提高能源的利用率。

　　(3)改变传统思维，把冷却、散热、润滑、排屑等装置从机床的“辅助”部件地位，提升到“重要”部件地位，不能轻视。

　　(4)重视结构的对称性和热变形的方向的设计，让热变形对精度的影响减少到小，尤其要重视对结构件热变形数学模型的研究和应用，以便为热变形控制设计提供定性定量的指示。来源中国数控机床网)