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河北佳順不銹鋼軸承制造有限公司
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大型數(shù)控龍門鏜銑床精度熱穩(wěn)定性控制探析

2022-02-17

陳學(xué)東 王華

(桂林機(jī)床股份有限公司技術(shù)部)

摘 要:為解決大型數(shù)控龍門鏜銑床因溫度的變化會(huì)對(duì)機(jī)床的幾何精度和加工精度產(chǎn)生影響的問(wèn)題,通過(guò)在設(shè)計(jì)、安裝和使用中采取相應(yīng)的控制方式,達(dá)到提高加工精度和精度穩(wěn)定的效果,從而滿足各行業(yè)對(duì)大型數(shù)控龍門鏜銑床精度的要求。

【關(guān)鍵詞】數(shù)控;龍門鏜銑床;精度;熱穩(wěn)定性;控制

隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,大型數(shù)控龍門鏜銑床在各行業(yè)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。從而造成加工的工件精度不穩(wěn)定,一致性也無(wú)法保證。另外,隨著機(jī)床技術(shù)的發(fā)展和提高,對(duì)加工效率的要求也不斷提高,要求機(jī)床主軸旋轉(zhuǎn)速度提高的同時(shí),各座標(biāo)軸的進(jìn)給速度,快移速度也必須相應(yīng)提高,這就使機(jī)床各部位自身的發(fā)熱越來(lái)越大,且越來(lái)越不均衡,這就使機(jī)床的精度熱穩(wěn)定性,成為影響機(jī)床穩(wěn)定加工的主要因素。

因此,我們?cè)谑褂眠@類機(jī)床時(shí),不僅要重視周圍環(huán)境溫度的變化對(duì)機(jī)床精度的影響,也必須對(duì)機(jī)床各部位的發(fā)熱進(jìn)行有效地控制,以減少部件發(fā)熱對(duì)機(jī)床精度的影響。

保證大型龍門鏜銑床在一般溫度下加工的精度熱穩(wěn)定性,是擺在我們面前的一道難題。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題,在設(shè)計(jì)制造此類機(jī)床二十多年的過(guò)程中,通過(guò)不斷探索和試驗(yàn),筆者取得了許多經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù),在此謹(jǐn)與同行一起探討。

1 影響機(jī)床精度熱穩(wěn)定性的熱源分析

控制機(jī)床精度熱穩(wěn)定性的Z終目的,就是控制刀具加工點(diǎn)相對(duì)工件的位置關(guān)系及工件或刀具移動(dòng)的準(zhǔn)確一致特性,機(jī)床的結(jié)構(gòu)性精度穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)之后,影響機(jī)床加工精度穩(wěn)定性的另一個(gè)方面,熱穩(wěn)定性就成為機(jī)床精度變化的主要原因。機(jī)床發(fā)熱的熱源有3個(gè)方面:環(huán)境(氣溫)、機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)發(fā)熱(包括主傳動(dòng)發(fā)熱,進(jìn)給軸發(fā)熱,各類電機(jī)發(fā)熱)、切削發(fā)熱。由于切削發(fā)熱解決起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單,在此不作討論。

1.1環(huán)境(氣溫)的影響

大型龍門鏜銑床一般采用的結(jié)構(gòu),是工作臺(tái)在床身上水平運(yùn)動(dòng)(x向),床身兩側(cè)有兩個(gè)立柱,立柱上有一橫梁,滑座在橫梁上作另一個(gè)水平方向的運(yùn)動(dòng)(Y向),滑枕在滑座上作垂直方向的運(yùn)動(dòng)(z向)。

由于機(jī)床高度大,X向運(yùn)動(dòng)與Y、Z向位置高度差,一般都在2 m以上,產(chǎn)生了一個(gè)高度溫差,在廠房里生產(chǎn)過(guò)程中,會(huì)有2-4℃的溫差,按鑄鐵線漲系數(shù)0.011 mm/(℃·m),y軸行程約2.5m的情況,造成工作臺(tái)X向定位精度與y、Z向定位精度有0.055-0.11mm的差別,從而影響加工精度。

機(jī)床安置的廠房布置,也有很大影響,特別是在我國(guó)南方的廠房,多考慮到通風(fēng)采光,將窗戶開的很大,陽(yáng)光直接照射到機(jī)床,使機(jī)床局部溫度變化,影響加工精度。

1.2機(jī)床部件發(fā)熱的影響

一般分為主傳動(dòng)發(fā)熱和座標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)發(fā)熱。

(1)主傳動(dòng)發(fā)熱。大型數(shù)控龍門鏜銑床的主傳動(dòng),一般都安裝在滑枕上,主軸在滑枕下端?;硎且粋€(gè)長(zhǎng)徑比較大的桿類,熱變形特性較復(fù)雜,與滑枕截面形狀、導(dǎo)軌布置方式關(guān)系很大。此類機(jī)床主傳動(dòng)動(dòng)力傳入方式,一般又分正面?zhèn)魅牒投嗣鎮(zhèn)魅?,各有?yōu)缺點(diǎn)。正面?zhèn)魅?,是主電機(jī)及變速箱安裝在滑枕正面,傳入滑枕后即到主軸,由于其傳動(dòng)鏈短,傳動(dòng)剛性較好,其滑枕導(dǎo)軌采用半包容結(jié)構(gòu),滑枕尺寸可以較大,增強(qiáng)了滑枕的結(jié)構(gòu)剛性,同時(shí)其不好的一面,就是主傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量在滑枕正面聚集,造成滑枕正反面熱量不勻,使滑枕變形;端面?zhèn)魅?,是主電機(jī)及變速箱安裝在滑枕上端面,傳入滑枕后通過(guò)長(zhǎng)傳功軸傳到主軸,由于其傳動(dòng)鏈長(zhǎng),傳動(dòng)剛性較差,其滑枕導(dǎo)軌采用全包容結(jié)構(gòu),滑枕尺寸相對(duì)較小,滑枕的結(jié)構(gòu)剛性稍弱,但其主傳動(dòng)產(chǎn)生的熱量在滑枕端面,不會(huì)使滑枕正反面產(chǎn)生溫差,滑枕變形量小。

(2)座標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)發(fā)熱。主要是進(jìn)給傳動(dòng)發(fā)熱,如滾珠絲杠傳動(dòng)發(fā)熱或齒輪齒條傳動(dòng)發(fā)熱和進(jìn)給電機(jī)發(fā)熱傳導(dǎo)到傳動(dòng)部件,其主要影響機(jī)床定位精度和重復(fù)定位精度。

2 對(duì)機(jī)床熱穩(wěn)定性的控制方式組合

針對(duì)以上的情況,我們針對(duì)不同的要求,進(jìn)行相應(yīng)的控制方式組合來(lái)達(dá)到目的。

2.1 對(duì)氣溫及高度差造成溫差的控制

對(duì)于氣溫變化及高度差造成的溫差,使工作臺(tái)移動(dòng)(X向)與滑座橫向(Y向)及滑枕垂向(Z向)的單位運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度不同的問(wèn)題,首先從機(jī)床的安置就要考慮,機(jī)床布置應(yīng)相對(duì)獨(dú)立,機(jī)床間隔不宜太?,且不能靠近陽(yáng)光直射區(qū)域,廠房高度要高一些,同時(shí)設(shè)置通風(fēng)設(shè)施,加快空氣流動(dòng),使溫度均衡。

如果大型數(shù)控龍門鏜銑床用于加工有一致性要求且精度較高時(shí),則需將機(jī)床安裝在恒溫廠房里,花費(fèi)較大,也增加了此類機(jī)床的使用成本。

另外還可以通過(guò)NC系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ杭丛跈C(jī)床整機(jī)裝配調(diào)試完畢后,分別在床身和橫梁特定位置安裝多個(gè)溫度傳感器,利用位移檢測(cè)設(shè)備(如激光干涉儀)對(duì)在不同溫度下各軸的位移精度進(jìn)行檢測(cè),得出各溫度采樣點(diǎn)在不同溫差時(shí)的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償量,向NC系統(tǒng)下輸入補(bǔ)償量,則在加工中系統(tǒng)得到采樣點(diǎn)溫度后進(jìn)行比較,得到溫差值再把該溫差的各軸補(bǔ)償量補(bǔ)入,即可有較明顯的效果。但此方法對(duì)溫度采樣點(diǎn)的選取要求較高,補(bǔ)償數(shù)據(jù)量大,分析數(shù)據(jù)難度大,對(duì)數(shù)控系統(tǒng)要求高,成本高和生產(chǎn)周期長(zhǎng),只能在某些特殊要求的機(jī)床上采用。

2.2 對(duì)主傳動(dòng)及主軸部件發(fā)熱的控制

對(duì)于主傳動(dòng)及主軸部件的發(fā)熱,一般采用的控制方法有兩種:

一是要求用戶在加工前進(jìn)行主傳動(dòng)系統(tǒng)預(yù)熱,即以加工所需主軸轉(zhuǎn)速開動(dòng)主軸約30 min,以便使機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)達(dá)到相對(duì)熱平衡,這時(shí)機(jī)床滑枕及主軸相應(yīng)的熱伸長(zhǎng)和變形己經(jīng)穩(wěn)定,對(duì)機(jī)床相關(guān)幾何精度的影響量,己經(jīng)不會(huì)有多大變化,此時(shí)再進(jìn)行加工作業(yè),能較好地保證加工精度的穩(wěn)定。此方法也是目前采用Z多的一種方式。

二是采用恒溫油對(duì)主傳動(dòng)及主軸系統(tǒng)進(jìn)行冷卻,減少熱量,這種方式須增加油冷機(jī),會(huì)增加些成本,但效果不錯(cuò)。

2.3對(duì)座標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)發(fā)熱的控制

在數(shù)控機(jī)床上,這類發(fā)熱主要是伺服電機(jī)發(fā)熱和滾珠絲杠傳動(dòng)發(fā)熱。這兩個(gè)問(wèn)題在中小型數(shù)控機(jī)床上較為突出。

對(duì)于伺服電機(jī)發(fā)熱,一般采用隔熱墊來(lái)隔離電機(jī)熱量,或在電機(jī)與機(jī)床聯(lián)接部位加冷卻的方式來(lái)加以控制。

對(duì)于滾珠絲杠傳動(dòng)發(fā)熱,一般采用中空絲杠,通人循環(huán)冷卻油,降低絲杠溫度,使絲杠溫度與基本零件(如床身)等溫,以保證絲杠與床身的熱伸長(zhǎng)量保持一致,使絲杠本身的預(yù)緊力、絲杠的預(yù)拉力、軸承的預(yù)緊力不受發(fā)熱影響,保證在溫度變化的情況下,進(jìn)給軸驅(qū)動(dòng)剛性得以保持,從而提高機(jī)床的加工精度。

而在大型數(shù)控龍門鏜銑床上采用的方法,一是將進(jìn)給電機(jī)設(shè)計(jì)在部件端部,保證較好的散熱條件,并通過(guò)用同步齒形帶或高精度減速機(jī)與絲杠隔離,以減少進(jìn)給伺服電機(jī)發(fā)熱的影響。二是采用大直徑滾珠絲杠(長(zhǎng)絲杠不宜采用中空絲杠),增加其熱容量,減少溫升,來(lái)達(dá)到目的。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)采用以上的措施,針對(duì)不同型號(hào)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和用戶的要求,采用多種方式的組合,將此類機(jī)床各部位溫差影響降到Z低,使機(jī)床達(dá)到一個(gè)較好的加工狀態(tài),提高了機(jī)床的精度穩(wěn)定性和剛度穩(wěn)定性,保證了加工的精度及其一致性。

來(lái)源:《裝備制造技術(shù)》

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