数控机床的精度与温度.doc

数控机床的精度与温度 　　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： 上世纪60年代上世纪80年代21世纪初普通批量加工0.05mm0.025mm0.00lmm精密加工0.01mm0.0005mm0.0000lmm超精密加工0.000lmm0.000005mm0.00000lmm 　　自20世纪后期起，对反映国家制造实力的精密与超精密加工的精度要求越来越高，由加工工艺决定的对数控加工设备加工精度要求，大致可分为以下几大类： 机床类型精度等级尺寸/位置精度(μm)尺寸/轮廓精度（μm)普通型通用8-253-10 高速10-305-15 提高精度3-81-3精密度级精密0.3-30.1-1超精密级超精密级0.01-30.003-1 　　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（见图1）。 　　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。 图2 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（见图3）。 图3 数控机床功能部件（发热部件）内冷却循环图 　　（3）采用供给大量恒温流