数控龙门镗铣床热稳定性分析与对策

随着我国的经济发展,大型数控龙门镗铣床在各行业中的应用也越来越多。从而造成加工的工件精度不稳定,一致性也无法保证。另外,随着机床技术的发展和提高,对加工效率的要求也不断提高,要求机床主轴旋转速度提高的同时,各座标轴的进给速度,快移速度也必须相应提高,这就使机床各部位自身的发热越来越大,且越来越不均衡,这就使机床的精度热稳定性,成为影响机床稳定加工的主要因素。

  因此,我们在使用这类机床时,不仅要重视周围环境温度的变化对机床精度的影响,也必须对机床各部位的发热进行有效地控制,以减少部件发热对机床精度的影响。

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  保证大型龙门镗铣床在一般温度下加工的精度热稳定性,是摆在我们面前的一道难题。针对这个问题,在设计制造此类机床二十多年的过程中,通过不断探索和试验,笔者取得了许多经验和试验数据,在此谨与同行一起探讨。

1 影响机床精度热稳定性的热源分析

  控制机床精度热稳定性的最终目的,就是控制刀具加工点相对工件的位置关系及工件或刀具移动的准确一致特性,机床的结构性精度稳定在一个范围内之后,影响机床加工精度稳定性的另一个方面,热稳定性就成为机床精度变化的主要原因。机床发热的热源有3个方面:环境(气温)、机床运动部件运动发热(包括主传动发热,进给轴发热,各类电机发热)、切削发热。由于切削发热解决起来相对简单,在此不作讨论。

  1.1环境(气温)的影响

  大型龙门镗铣床一般采用的结构,是工作台在床身上水平运动(x向),床身两侧有两个立柱,立柱上有一横梁,滑座在横梁上作另一个水平方向的运动(Y向),滑枕在滑座上作垂直方向的运动(z向)。

  由于机床高度大,X向运动与Y、Z向位置高度差,一般都在2 m以上,产生了一个高度温差,在厂房里生产过程中,会有2—4℃的温差,按铸铁线涨系数0.011 mm/(℃·m),y轴行程约2.5m的情况,造成工作台X向定位精度与y、Z向定位精度有0.055~O.11mm的差别,从而影响加工精度。

机床安置的厂房布置,也有很大影响,特别是在我国南方的厂房,多考虑到通风采光,将窗户开的很大,阳光直接照射到机床,使机床局部温度变化,影响加工精度。

  1.2机床部件发热的影响

  一般分为主传动发热和座标轴运动发热。

  (1)主传动发热。大型数控龙门镗铣床的主传动,一般都安装在滑枕上,主轴在滑枕下端。滑枕是一个长径比较大的杆类,热变形特性较复杂,与滑枕截面形状、导轨布置方式关系很大。此类机床主传动动力传人方式,一般又分正面传入和端面传人,各有优缺点。正面传人,是主电机及变速箱安装在滑枕正面,传人滑枕后即到主轴,由于其传动链短,传动刚性较好,其滑枕导轨采用半包容结构,滑枕尺寸可以较大,增强了滑枕的结构刚性,同时其不好的一面,就是主传动产生的热量在滑枕正面聚集,造成滑枕正反面热量不匀,使滑枕变形;端面传人,是主电机及变速箱安装在滑枕上端面,传入滑枕后通过长传功轴传到主轴,由于其传动链长,传动刚性较差,其滑枕导轨采用全包容结构,滑枕尺寸相对较小,滑枕的结构刚性稍弱,但其主传动产生的热量在滑枕端面,不会使滑枕正反面产生温差,滑枕变形量小。

  (2)座标轴运动发热。主要是进给传动发热,如滚珠丝杠传动发热或齿轮齿条传动发热和进给电机发热传导到传动部件,其主要影响机床定位精度和重复定位精度。

2 对机床热稳定性的控制方式组合

  针对以上的情况,我们针对不同的要求,进行相应的控制方式组合来达到目的。

  2.1 对气温及高度差造成温差的控制

  对于气温变化及高度差造成的温差,使工作台

  移动(X向)与滑座横向(Y向)及滑枕垂向(Z向)的单位运动长度不同的问题,首先从机床的安置就要考虑,机床布置应相对独立,机床间隔不宜太小,且不能靠近阳光直射区域,厂房高度要高一些,同时设置通风设施,加快空气流动,使温度均衡。

  如果大型数控龙门镗铣床用于加工有一致性要求且精度较高时,则需将机床安装在恒温厂房里,花费较大,也增加了此类机床的使用成本。

  另外还可以通过NC系统进行动态补偿的方法:即在机床整机装配调试完毕后,分别在床身和横梁特定位置安装多个温度传感器,利用位移检测设备(如激光干涉仪)对在不同温度下各轴的位移精度进行检测,得出各温度采样点在不同温差时的运动补偿量,向NC系统下输入补偿量,则在加工中系统得到采样点温度后进行比较,得到温差值再把该温差的各轴补偿量补入,即可有较明显的效果。但此方法对温度采样点的选取要求较高,补偿数据量大,分析数据难度大,对数控系统要求高,成本高和生产周期长,只能在某些特殊要求的机床上采用。

  2.2 对主传动及主轴部件发热的控制

  对于主传动及主轴部件的发热,一般采用的控制方法有两种:

  一是要求用户在加工前进行主传动系统预热,即以加工所需主轴转速开动主轴约30 min,以便使机床主传动系统达到相对热平衡,这时机床滑枕及主轴相应的热伸长和变形己经稳定,对机床相关几何精度的影响量,己经不会有多大变化,此时再进行加工作业,能较好地保证加工精度的稳定。此方法也是目前采用最多的一种方式。

  二是采用恒温油对主传动及主轴系统进行冷却,减少热量,这种方式须增加油冷机,会增加些成本,但效果不错。

  2.3对座标轴运动发热的控制

  在数控机床上,这类发热主要是伺服电机发热和滚珠丝杠传动发热。这两个问题在中小型数控机床上较为突出。

  对于伺服电机发热,一般采用隔热垫来隔离电机热量,或在电机与机床联接部位加冷却的方式来加以控制。

  对于滚珠丝杠传动发热,一般采用中空丝杠,通人循环冷却油,降低丝杠温度,使丝杠温度与基本零件(如床身)等温,以保证丝杠与床身的热伸长量保持一致,使丝杠本身的预紧力、丝杠的预拉力、轴承的预紧力不受发热影响,保证在温度变化的情况下,进给轴驱动刚性得以保持,从而提高机床的加工精度。

  而在大型数控龙门镗铣床上采用的方法,一是将进给电机设计在部件端部,保证较好的散热条件,并通过用同步齿形带或高精度减速机与丝杠隔离,以减少进给伺服电机发热的影响。二是采用大直径滚珠丝杠(长丝杠不宜采用中空丝杠),增加其热容量,减少温升,来达到目的。

3 结束语

  通过采用以上的措施,针对不同型号的机床结构和用户的要求,采用多种方式的组合,将此类机床各部位温差影响降到最低,使机床达到一个较好的加工状态,提高了机床的精度稳定性和刚度稳定性,保证了加工的精度及其一致性。

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