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2017年5月19日

機床結構的熱平衡與優化設計技術 - 加工中心

日本東京大學的佐田登志夫等把機床熱變形看作是由于溫度變化而引起的機床結構剛度不足，提出了“熱剛度”的概念，并將機床的靜剛度、動剛度和熱剛度這3個方面的問題統一起來研究。機床的熱剛度是機床達到熱平衡時的溫升與熱變形值之比，表示機床抵抗熱變形的能力，是表征機床熱特性的特征量。由于不同零件的熱剛度對整機熱剛度的影響不同，四川大學的陽紅等在此基礎上提出了機床重點熱剛度的概念，并提出了一種基于熱誤差神經網絡預測模型的機床重點熱剛度辨識方法，為合理分配機床熱剛度并為機床零部件的熱剛度組成整機的熱剛度。熱剛度概念的提出統一了傳統力學的剛度概念，對于形成統一設計理念與方法具有重要的指導意義。依據熱剛度理念，機床結構熱平衡設計的主要內容是以結構尺寸為設計變量，以彎曲、扭轉等熱變形的位移量為目標函數，以提高部件和機床整體的熱剛度為目標進行優化設計。機床在熱設計時需要根據機床的熱特性從機床的主要熱變形部分入手，即注重關鍵發熱區域和熱敏感部位，常見的如主軸的熱膨脹、主軸箱的熱變形、滾珠絲杠的熱伸長以及立柱的熱傾斜等，通過對這些關鍵部件進行結構熱平衡設計，進而把握機床整體的熱變形，再進行整體優化、均衡結構和對稱結構設計。日本大隈（OKUMA）公司基于其20年來對熱變形處理的研究經驗，提出了“熱親和”的概念。“熱親和”是指與熱友好共處的構思。此前的機床采取的措施主要針對如何減少熱的產生量或如何冷卻。“熱親和”的構思是在盡量減少熱量產生的同時接受熱，合理利用熱。雖然熱測復雜的熱變形很困難，但是通過“熱變形單純化”與“溫度分布均勻化”的機床構造，進行可預測的規則熱位移，并正確地進行熱結構平衡補償控制，即使沒有恒溫室等大型的設備，也可以形成穩定的熱結構，并維持高精度。“熱親和”思想是合理利用熱。實現規則的可控熱變形，它可以使機床在溫度變化時保持相同的熱平衡結構，將熱變形抑制在最小程度。一般常用的結構是以加工點為中心的“熱對稱結構”，使構成要素形狀簡化的“箱式組合結構”，以及通過護蓋與附屬單元合理布局使溫度分布均勻化的“熱均衡結構”。如主軸采用簡單熱變形結構，應用正確地熱位移補償方式，使主軸能在長時間運轉中保持熱變形在4μm以內。采用合理的熱力學結構，無論是切削加工、電機驅動及構件運動導致的機床溫度變化，還是切削液、車間環境等引起與位移量進行伸縮，這樣就為合理的熱控奠定了基礎。吉田嘉太郎在1973年提出了“熱中性軸”的概念，他認為主軸熱位移會因主軸箱內熱源和支撐方式的改變而不同，因此應該設法尋求在機床熱變形狀態下，保持主軸位置不變，從而提高機床的熱精度。后來他將這一概念進一步發展為“熱對稱面’的概念，把最影響加工精度的零件配置在熱對稱面上，大大改善熱變形所引起的加工精度不良的狀況，利用該理論設計的雙立柱夾箱式結構就是一個典型的熱對稱結構，可避免一般單立柱機床經常出現的主軸熱傾斜現象，瑞士在機床設計中也十分重視熱源對機床的影響，主張熱源對稱分布。如果一臺機床僅在一側設置油箱或電機，由于受熱，易使機床傾斜；若在機床兩邊對稱配置電機，使其兩邊受熱條件均勻，就不會產生左右傾斜。作為機床主要基礎件，立柱、床身、主軸箱的力學特性和熱學特性對機床的加工精度和精度穩定性有較大的影響。在這方面的研究表明，主軸箱變形量的不對稱性會導致主軸軸線的偏移或產生偏角；增加局部厚度，改變筋板布置形式可在減輕床身重量的同時改善床身的結構變形。合理選擇立柱結構尺寸參數可提高其熱剛度，對基礎件的熱對稱設計（結構對稱設計和熱源分布對稱設計）是減小有害熱變形的有效措施。另外、熱容量平衡設計也是改善熱變形有效的方法。它是根據機床各部件熱容量的不同，對局部熱容量大的部件采取一定的措施來控制和減少其溫升，使它與熱容量較小的部分不致產生較大的溫差，盡量達到它們之間的熱平衡，從而使機床整體的熱變形減少。合理地設計機床散熱板有利于平衡部件之間的溫度場。此外，機床熱結構優化技術還包括反變形技術，另外，使用花崗巖、陶瓷、混泥土、玻璃鋼等新材料也可以減少熱變形。用反變形來抵消熱變形的不良影響是一種簡單易行的有效方法。呼和浩特第三機床廠以某平面磨床為例，在加工時主動對機床導軌采用中凸結構，很好地提高了磨床加工精度的穩定性。機床熱設計的另外一種重要方法就是設計高效的冷卻系統，通過控制機床的溫度變化來提高機床的精度。