0 前 言
精密和超精密加工技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)械制造中重要組成部分和發(fā)展方向，并成為提高國際競爭能力的關(guān)鍵技術(shù)［1］。隨著生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高和精密加工技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對數(shù)控機(jī)床加工精度的要求也日益提高。數(shù)控加工中心在加工過程中，各部件由于受到摩擦熱、冷卻液以及環(huán)境溫度等熱源的影響而溫度升高，產(chǎn)生熱變形，使得刀具和工件之間原來相對正 確 的 位 置 遭 到 破 壞，最 終 導(dǎo) 致 工 件 的 熱 誤差。大量研究表明:熱誤差是數(shù)控機(jī)床加工中的誤差 源，熱 變 形 能 夠 造 成 機(jī) 床 達(dá)40%～70%的 誤差［2］，減小熱誤差對提高機(jī)床的加工精度至關(guān)重要。
與技術(shù)相比，國內(nèi)熱變形控制與熱誤差補(bǔ)償技術(shù)研究和應(yīng)用的基礎(chǔ)較弱、經(jīng)驗(yàn)不足。通過結(jié)合科技創(chuàng)新重大專項(xiàng)“面向汽車行業(yè)的智能化臥式加工中心及生產(chǎn)線成套設(shè)備”項(xiàng)目的實(shí)施，從減少發(fā)熱、控制溫升、熱誤差補(bǔ)償3個層次對臥式加工中心的熱變形控制與熱誤差補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了研究和應(yīng)用。
1 熱源分析
臥式加工中心的熱源主要可 分 為 三 類:(1)加工工件時的切削熱;(2)機(jī)床相對運(yùn)動部件間的摩擦熱，如絲杠、導(dǎo)軌、軸承等;(3)機(jī) 床 電 氣 部 件如主軸電機(jī)、伺 服 驅(qū) 動 電 機(jī)、液 壓 站 電 機(jī)、排 屑 系統(tǒng)電機(jī)、冷卻系統(tǒng)電機(jī)等 的 發(fā) 熱［3］。對 于 切 削 熱 的產(chǎn)生機(jī)制、傳遞規(guī)律以及刀具切削參數(shù)的優(yōu)化等內(nèi)容不做論述，因?yàn)榍邢鳠峥梢酝ㄟ^刀具內(nèi)、外 冷 卻以及機(jī)床加 工 區(qū) 噴 淋 冷 卻 系 統(tǒng) 的 應(yīng) 用 加 以 控 制［4］。主要研究機(jī)床相對運(yùn)動部件間的摩擦熱以及主軸電機(jī)、伺服驅(qū)動電機(jī)發(fā)熱等引起的熱變形控制和熱誤差補(bǔ)償。
2 減少發(fā)熱
發(fā)熱會引起機(jī)床部件局部的溫度升高，局部的熱膨脹引起熱變形，造成熱誤差的出現(xiàn)，的情況自然是不發(fā)熱。當(dāng)然這是不可能的，機(jī)床要加工工件必然要運(yùn)動、要有力的存在，也就必然會產(chǎn)生相對運(yùn)動部件間的摩擦熱。雖然不可避免，但可以減少摩擦熱的產(chǎn)生。相對運(yùn)動零部件間的摩擦熱可通過提高運(yùn)動功能部件精度、降低摩擦因數(shù)或改滑動為滾動等方式解決。
2.1高精度功能部件的選用
選用高精度的功能部件可提高機(jī)床的運(yùn)動精度和定位精度、減少摩擦熱的產(chǎn)生，但功能部件精度不能無限制地提高，且隨著精度的提高，功能部件成本的提高更為明顯;同時在較高精度范圍內(nèi)，提升功能部件的精度對減少摩擦熱的影響變得很小;因而通過一味追求功能部件的高精度來減少摩擦熱的產(chǎn)生，與幾乎呈指數(shù)關(guān)系急速增長的成本相比是得不償失的。通常臥式加工中心選擇p4級以上的主軸軸承、c3級以上的滾珠絲杠和sp級以上的導(dǎo)軌即可滿足較高的精度指標(biāo)，同時較為有效控制摩擦熱。
2.2潤滑
有效的潤滑是減少摩擦熱產(chǎn)生的措施。絲杠、絲杠支撐軸承以及導(dǎo)軌通常采用集中稀油潤滑或脂潤滑方式。主軸軸承的潤滑通常有脂潤滑、稀油潤滑、油氣潤滑和油霧潤滑4種［5］。采用不同的潤滑方式，主軸軸承摩擦熱的產(chǎn)生和溫升特性是不同的，采用脂潤滑和稀油潤滑的軸承極限轉(zhuǎn)速較低，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時摩擦熱產(chǎn)生較快，溫度升高較快;采用油氣潤滑和油霧潤滑的軸承溫升狀態(tài)較好。如采用油霧潤滑，潤滑油的微小顆粒排出后會懸浮在空氣中，造成空氣污染，不能滿足環(huán)保和綠色制造的要求，因而高速臥式加工中心主軸通常采用油氣潤滑方式。油氣潤滑方式節(jié)省潤滑油，無污染，能夠顯著減少軸承系統(tǒng)的摩擦和磨損，延長軸承的壽命，同時氣體排出 主 軸 時 可 以 帶 走 軸 承 系 統(tǒng) 的 部 分 摩 擦熱，起到冷卻軸承系統(tǒng)的作用。采用油氣潤滑除要求油品質(zhì)量高外，對氣體也要進(jìn)行精細(xì)化處理，與油品混合前應(yīng)除 塵、除 水、除 油，過 濾 精 度 通 常 需 達(dá) 到0.01μm。
3 控制溫升
熱量的產(chǎn)生不可避免，如果能將產(chǎn)生的熱量消除或帶走或隔絕而不引起機(jī)床零部件的局部溫度升高，也將不會產(chǎn)生機(jī)床熱變形。研究第二層次考慮采用冷卻的手段控制臥式加工中心關(guān)鍵部件的溫升或均衡關(guān)鍵部件溫度場，以達(dá)到控制熱變形的目的。
3.1主軸溫升
控制系統(tǒng)主軸溫升控制系統(tǒng)主要由冷卻裝置、管路和主軸螺旋冷卻水路組成封閉的自循環(huán)系統(tǒng)，通 過 循 環(huán) 油(水)帶走主軸軸承部位的熱量。冷卻裝置采用大功率油(水)冷 機(jī)，同 時 用 溫 度 傳 感 器 監(jiān) 測 冷 卻 油(水)及機(jī)體溫度，對從主軸返回的冷卻油(水)進(jìn)行溫度控制或與機(jī)體溫度比較進(jìn)行相對溫度控制，通過自 循 環(huán) 冷 卻 油(水)實(shí) 時 帶 走 主 軸 軸 承 部位的熱量，實(shí)現(xiàn)主軸溫度控制。