数控机床的精度与温度关系-苏州市联青机电工贸有限公司

数控机床的精度与温度关系

作者：苏州中航长风数控科技有限公司 | 来源：www.szcfedm.com | 浏览次数：

从20世纪90年代后期以来，由于我国工业现代化和国防工业与高技术产业的快速发展，对象征先进制造装备的数控机床提出了旺盛的需求，除了数量以外，对质量（主要体现在工作可靠性）和精度的要求也越来越高。现代机床的加工精度基本上是每25年左右提高一个数量级，如下表所示：
机床加工的工件精度一般是机床精度值的1.5-2倍左右（考虑工序能力系数一般在1.33左右），例如上述普通型机床位置精度为0.025mm，加工出工件孔距精度在0.04-0.05mm左右，这是考虑到工艺系统的变形、加工温度场影响、工件材质不均匀、刀具精度影响等（值得一提的是上述给的孔距精度是在加工一批工件中最大误差的零件可能达到这数值，而大部分零件则小于这数值）。因此追求加工高精度的机床用户们不仅仅注意机床可能达到的精度，而应对机床所处的温度场，工艺系统综合条件等统盘的考虑，以下仅讨论机床温度场变化对加工精度的影响。
一、加工环境温度场对加工精度的影响
（一）以下所示为一个加工实例。
工件材质为铝合金，在1600mm直径范围内均布26000个直径为32mm的孔，要求对工件中心孔位置度在0.05mm以内。制造厂采用一台高速高精度的数控龙门机床加工。该机床在机床精度复检中重复定位精度都在0.008mm以内，按常规采用这样精度的设备加工是不成问题的。但在持续加工，工件实测误差在0.20mm以上。经过综合技术分析和重新检测机床精度，认为机床在大空调厂房中，早、中、晚温度变化梯度较大，机床从冷却到全热态过程中，机床的坐标系原点存在漂移；钢件材料的热线张系数和铝材料相差较大，在一米长度上温度相差1℃尺寸长度就相差0.01mm以上。为稳定机床工作的环境温度，在机床加工区域搭建了二次恒温空调间后，在加工前先经过数小时预热后不停机连续加工到完成，工件实测误差控制到0.08mm以内。
（二）任何机床进行加工就要消耗动力，产生热量，这热量传导到机床各运动部件和机床构件，必然引起机床工艺系统的热变形，造成工件加工精度的变化。例如，一台常用的数控立铣床，当机床由冷态转入热态时，主轴经过长时间高速运动后，温度有可能上升十几度，引起主轴箱温升，立柱局部后仰热变形、主轴中心线延伸、主轴端面抬头等综合变形，对中小规格的立铣床，在主轴端面上可能达到0.02－0．04mm的长度变化。验证这问题可采用简单的方法：用一把小直径的立铣刀；用S形走刀轨迹，铣一个大平面（例如：300mm×300mm,400mm×400mm），一般经过半个小时以上的切削、刀具再走到入刀的起始位置，接刀点处形成明显的台阶差。数控机床上主要热源来源于各伺服电机和主轴电机、高速运动部件及液压系统等。单立柱卧式镗床上常见的机床大件变形如见图2所示。
主轴箱温升引起等的综合变形
二、机床整体温度的均衡及加工环境温度场的控制
对机床的精度而言，温度场的影响是综合的，尤其在有限空间内温度梯度变化影响最大，因此控制机床整体温度的均衡是一个比较理想的目标。为此在机床工作环境周边温度场要求均衡的基础上，在精密的数控机床上常采用以下一些措施：
1．均衡热对称结构设计
无论是大中型机床还是小型机床，对机床构件（床身、立柱、导轨等）采用对称的布局设计已被广泛接受，例如对称的双立柱、封闭、龙门布局、箱中箱结构等，日本安田机床就采用对称立柱结构。
2．机床主体均匀温度场的控制措施
在现代数控机床上为控制机床的局部发热，均衡机床各部分温度与室温的一致性、均匀性可以采取一系列措施。常见的有：
（l）主轴部件是主要发热源，所以主轴的前轴承部件都配置冷却水套，与机外恒温油箱连接，重点冷却前主轴轴承座（或主轴箱体）的温度，与室温相近。
一些高速电主轴内通人常温压缩空气，带走主轴内部热量，控制主轴部件温升。
（2）采用中空的滚珠丝杠，通人恒温冷却液，有效冷却滚珠丝杠高速旋转中发热，这技术尤期在龙门机床长丝杠上取得较好稳定精度的作用。
（3）采用供给大量恒温流体来稳定机床构件（立柱、床身等）的温度场均匀，控制局部热变形。例如：在龙门机床长床身中通风调节各局部温度变化。
在一些高精度机床上，床身导轨和立柱导轨后面都有液体流动的通道，在工作中恒温液体从这些通道中通过循环，控制整机均匀温度场。
图3数控机床功能部件（发热部件）内冷却循环图
图4液体流动示意图
瑞士DIXI公司的高精度加工中心给机床上每个伺服电机及主轴电机都加上了制冷的专用外套，用一个恒温箱供恒温液体，带走电机发出的热量，控制机床实现均匀温度场工作环境。
（4）采用三维温度补偿软件，修正加工精度。机床由冷态工作到热态过程中，工作精度有一定变化，如主轴、Y轴导轨等均会出现一定量的误差。这些误差随着主变量（温度）的变化会产生有规律的相应误差变化，例如：当主轴端面温度上升5℃时，一般会使主轴抬头0.015－0.02mm。因此，在机床关键部件贴上温度传感器测定温升量并输人到数控系统，由试验测定数据的补偿软件计算出在Z轴上的补偿修正量，输入Z轴坐标系进行修正，提高机床精度。这种补偿软件也可对X、Y、Z多轴进行补偿，大大改善原有的机床精度。这一补偿技术已较成功能地应用于高精度三坐标测量机的温度场补偿，以前三测机只能用于20℃±1℃条件下精密测量，现在对X、Y、Z三轴和工件上各加上两个温度传感器（共7－8个），经过多维数字模型的软件处理，能在20℃±5－6℃的环境下实施精确测量。
三菱数控机床在工作（11小时）中的主轴热变形情况，在无补偿时主轴端部位移量达到0.006mm，经过热位移补偿后，提高了主轴精度。
图5机床主轴热变形得到补偿后的情况
3．刀具和加工工件加工环境温度场均匀性的控制
加工过程中，主要发热源是刀具切削工件表面的金属材料时产生的热量，这些热量有相当部分随着切屑排走，但也使刀具发热和工件加工区域局部温度升高，造成工件热变形和内应力变形，影响加工精度。为此，淋浴冷却是现代数控机床上常用的方法，即在加工过程中用大流量冷却液冲刷工件和刀具，把切削热量迅速从加工区域带走，以形成较均匀的加工区域温度场。这种方式要求机床配置大流量的恒温冷却系统，有全封闭的冷却防护罩，在加工铸件要时，要采用一些措施来处理含粉状切屑末的冷却液。
为了使切削冷却液真正加到切削部位，数控机床上常采用带内冷却切削液的刀具，这是非常有效的方法，尤其是在深孔加工中。例如，钻深孔时，切削主要发热区是在钻头的横刃和钻尖侧刃处；一般的切削液供给方法根本深入不到那些部位，因此高压冷却液通过钻头中心冷却液通道直接加到加工区域，冲走切屑，带走热量，降低了工件的局部温度。
在高速超硬加工中，工件表面硬度较高，要用超硬刀具强行切削，尽管每次切深并不大，用刀具高速运动带走切屑并连续喷带油露的压缩空气，冷却加工区域。
图6机床在加工中冷却液循环图
4．加工环境温度场和测量部件温度场的均衡处理数控机床的加工对象是各种材料，如钢铁、有色金属等，但数控机床的定位精度取决于测量部件的精度；目前全闭环的高精度数控机床基本上都采用了光栅作为检测元件。
机床上大部分是用金属光栅（铬钢），若是加工铝合金工件，在30℃条件下加工的工件，在20℃检测条件下检测时就会有0.lmm/lm的误差。这是一个不容忽视的误差。因此机床尽量配置金属光栅，使其热膨胀系数接近于所加工的工件材料，在加工有色金属工件时要充分考虑温度变化的影响。
在数控机床上使用半闭环系统，采用回转编码器作为直线距离检测元件，则无法测直线运动部件热变形变化情况，直线坐标上原点漂移更无法测出，因此它的定位精度和稳定性肯定要远远低于闭环系统。
三、掌握加工环境温度场变化规律提高机床加工精度
以上分析了影响加工精度的环境温度，在数控机床实际应用中只要充分掌握上述温度变化规律，可以克服其影响，提升普通数控机床的精度。
加工实例：邮票冲针孔模具的加工
图7邮票冲针孔模具的加工位置
模具由300×300mm上下两块模板组成，每块板上有小孔5000个以上，每个孔公差控制在6－7级左右，保证在每次冲孔中直径0.7mm的冲针上下灵活运动，又不卡位，冲针与孔的间隙控制在0.005-0.008mm较合适，并要求这几千个孔的相邻孔距和累积孔距误差都能较好地控制在这一范围内，就需要超精密高速坐标镗床或铣床，定位精度应控制在0.005mm以内才有可能。但对模具工作原理进一步分析后得知，控制相邻孔距精度的关键是要保证上下模具孔的位置一致性。因此找了一台钻削中心，主轴转速能达到l000r/min以上（用于小孔加工），各轴定位精度在0.02mm左右，采用了完全同样的工艺措施（刀具、工艺参数、同一走刀轨迹，同一加工程序等），机床经过同样预热条件，经过二次室内温度控制环境连续加工，在经过充分预试验后连续加工出上下模板，满足了使用要求。