磨床熱變形的控制與防止

1、磨床熱變形的控制與防止湖南大學衡陽分校 (421101 張文玉 鄒濟林摘要 本文 通過磨床的熱變形熱源分析及其它在工作狀 況下對 加工精度 的影響 , 從 而提出 了相應的 控制與 防止熱 變形的 具 體措施。關鍵詞 磨床熱源、 熱變形、 控制與防止。一 、 磨床的熱變形的熱源與傳遞 ?，F代的機械產品對零件表面質量要求 愈來愈 高 , 它要求較低的表面粗糙度、 殘余應力及表面變質 層。但磨床對加工精度影響又極大 , 特別是精密加 工和大型零件的加工中 , 熱變形所引起的加工零件 所產生的誤差 , 有時占總全部誤差 70%。隨著現代 機械加工技術的發(fā)展 , 磨削精密加工大多數是機械 加工的最終工

2、序 , 用來獲得最終加工精度與表面質 量。高精度、 高品位化、 高效率以及系統自動化是磨 床高機能化的目標 , 研究與探討磨床的熱變形具有 巨大的現實意義 , 也正是本文的目的。實驗證明 :磨床工作時 , 會受到多種多樣的熱源 的影響 :1、 機械動力源的能量損耗轉化為熱量 (如 :電動 機、 油池、 油泵裝置、 液壓操縱箱、 油壓筒等等 , 從而 使磨床部件產生熱變形。2、 傳動部分產生的摩擦熱 (如 :軸承副、 導軌副 等等 , 并通過潤滑油將熱量散開 , 特別是床身導軌 彎曲變形。3、 磨削熱 :當磨屑和冷卻液落在機床各部件上 , 其熱量傳出 , 也會使機床各部件產生相應的熱變形。 4、

3、 環(huán)境熱 :(如 :室溫變化、 陽光照射、 取暖裝置 等等 , 同樣也可使磨床各部件受熱不均勻 , 引起熱 變形。但是 , 當磨床在工作時 , 受到上述各種熱源的影 響 , 加之各種精密機床的結構復雜性、 各部件受到熱 各不相同 , 從而形成了不同的溫度場 , 使機床各部件 之間的相對位置發(fā)生了變化 , 破壞了機床原有精度 , 加快運動件的磨損 , 從而造成加工工件的加工誤差。 與此同時 , 磨床 , 它們各部件的體積不相同 , 尺 寸差異大 , 熱容量也不相同 , 達到熱平衡的時間也不 相同。一般說來 , 磨床類機床 , 其空轉達到熱平衡的 時間為 23h; 在磨床達到熱平衡前 , 機床的幾

4、何精 度一直是變化不定 , 從而影響零件的加工精度。 加之 , 磨床的結構特點不同 , 其受到主要熱源也 不相同 , 熱變形對加工精度的影響也不相同。 二 、 磨床的熱變形及對加工精度的影響磨床其主要熱源是液壓系統和高速磨頭的摩擦 熱 , 以及冷卻液帶來的磨削熱。砂輪架的發(fā)熱 , 會使砂輪主軸膨脹、 伸長、 位移。 主軸的熱伸長 , 在螺紋磨床上會直接影響加工工件 的螺距誤差。而在齒輪磨床上直接影響齒輪周節(jié)的 誤差。前、 后軸承的發(fā)熱不均勻時 , 會引起主軸的母 線和上母線偏斜 , 使工件產生幾何形狀誤差和螺旋 缺陷。嚴重時將直接影響砂輪主軸的正常工作以至 發(fā)生 抱軸 現象。砂輪架一般要求正常

5、運轉 24h 后 , 其溫升不大于 20 圖 1 頭架主軸因熱變形成的位移與此同時 , 而磨床的頭架 , 經過一段時間的運轉 2002年第 2期 (總第 150期 后 , 由于運動零件的摩擦和其它原因產生熱量 , 會使 頭架變形。尤其是 活頂 尖 。磨削的 頭架發(fā)熱 厲 害。發(fā)熱的結果會使頭架主軸中心產生位移 ; 其原 因是頭架殼體的底面以工作臺定位 , 中間由定位頭 定位 , 所以受熱后只能向上和向兩側膨脹 , 從而使主 軸中心向上和向砂輪架方向位移。如圖 1所示。 若磨削工件時 , 僅由頭架卡盤支夾 , 主軸的熱位 移僅影響工件的尺寸精度 , 若工件采用頭、 尾架頂尖 頂住磨削時由于尾架發(fā)

6、熱少 , 套筒中心幾乎不位移 , 結果頭架主軸中心的熱位移會使頭、 尾架頂尖中心 的連線與工作臺導軌不平行 , 影響工件的幾何精度。 一般主軸向上的熱位移 y 、 在磨削外錐體工件時 , 會使錐體母線形成中間凹的雙曲線 , 如圖 2 所示。圖 2 對外錐體的影響當磨削工件內錐孔時 , 主軸中心的位移 (包括頭架中心不等高誤差 。既影響工件的錐度 , 又影響其 幾何形狀精度 , 使 錐孔母線形成中 間凸的雙曲線。 如圖 3 所示。圖 3 對內錐孔的影響若頭架主軸中心 , 向砂輪架方向的熱位移 x 會 使工件呈錐形。如圖 4所示。磨床的床身 , 受到各種熱源的影響 , 同樣也影響被加工工件的精度。

7、由于熱源的分布不均勻及熱量 散發(fā)不相等 , 從而形成床身各處溫變 一樣。床身上 下、 左右、 前后都有存在著溫度差。而溫度差是床身 產生的主要原因之一。根據熱變規(guī)律分析 , 工件受熱后的伸長量為 :圖 4 頭架熱變形后工件磨成錐體L= L t式中 : 材料線膨脹系數 ,L 受熱部分的長度 , t 溫度差若床身單面受熱 , 在垂直平面內產生彎曲變形 , 可用下面的近似公式計算 :L= L 2 t/8H 從上式可知 :(1 溫度差 t 是造成彎曲變形的根本原因(2 床身熱變形 量 L 與受熱部分長度 L 的平 方成正比?，F分析磨床床身導軌熱變形及其對加工精度的 影響 :(1 V 型導軌在垂直平面內

8、不直度誤差 :當磨床 床身下部設置油池 , 而大量的油經溢流閥回到油池 , 油液中的壓力油經溢流閥后能量轉化為熱量 , 油池 溫度升高 , 而床身上部雖有導軌面摩擦熱。若工作 臺運動速度不高 , 發(fā)熱量不大 , 則上升比油池低 , 則 床身導軌變成凹形。若油泵裝置的回油管設置油池 的左邊 , 故左面溫度高 , 右面溫度低 , 故導軌凹點靠 左 , 否則反之。(2 V 形導軌在水平面的不直度誤差 :床身前面 的操縱箱和油池產生的熱 , 使床身在水平面方向發(fā)生熱變形 , 但因與后床身連接 , 因而造成導軌的熱變 形方向是面向操作者成凸形?？墒?, 上述磨床床身熱變形影響 , 對于各類磨床 對加工精

9、度的影響各不相同。外圓磨床床身在水平精密制造與自動化面內的熱變形 , 會影響加工工件母線的直線性 (凹形 或凸形 ; 而平面磨床床身熱變形 , 在垂直平面內的 變形則會直接影響加工工件的平直度誤差。對于大 型導軌磨床的長床身部件 , 其溫度的影響十分顯著。 一般來說 , 床身上表面溫度比床身底面溫度高 , 形成 溫差。因此 , 床身將產生彎曲變形 , 表面呈中凸。如 圖 5所示。另外 , 立柱和拖板也因床身的熱變形而 產生相應的位置變化。圖 5 床身縱向誤差熱變形在這種情況下 , 加工后工件表面將產生形狀誤 差和位置誤差。綜上所述 :控制與防止磨床熱變形對加工精度 的影響 , 以便可進行高精度

10、化、 系統自動化的磨削加 工 , 必須對熱變形實施對策。三 、 磨床熱變形的控制 1、 減少熱源的發(fā)熱量磨床熱變形的主要原因是熱源的發(fā)熱 , 減少熱 源的發(fā)熱量是減少磨床熱變形的主要措施之一。(1 提高軸承的質量。改變主軸承的潤滑條件 (如采用低粘度的潤滑鋰基潤滑或油霧潤滑 磨床砂 輪主軸與砂輪法蘭盤一體式的高剛度結構 , 抑制砂 輪作業(yè)的偏心量 , 確保高速運轉時穩(wěn)定性 , 砂輪軸上 采用陶瓷軸承和油氣潤滑方式 , 可抑制發(fā)熱防止高 速燒傷。若采用磁浮軸承 用于超高速磨削主軸 頭 , 效果最佳。因磁浮軸承無機械磨損 , 理論上無速 度限制 , 運轉時無噪聲 , 溫度低、 能耗小 , 不要潤滑

11、、 不污染環(huán)境 , 可省去一套潤滑系統和設備 , 高低溫度 都可以工作。若砂輪架主軸上 , 采用磁浮軸承 , 這時 可通過監(jiān)測定子線圈的 電流 , 靈敏 地控制切削力。 通過檢測切削力微小的變化來控制機械運動?？商?高精密加工質量及 裝配質量。造成機械軸承 的溫升 , 主要取決徑向負荷 P 及摩擦系數 f, 上述除改變 軸承的潤滑條件下 , 還 可以采用動壓 軸承、 靜 壓軸承 , 均可能減少摩擦系數。同時減少軸承的發(fā)熱量。(2 降低導軌副的溫升。主要是降低導軌單位 面積的發(fā)熱量 Q 。在這里主要降低導軌面的壓強及 改善導軌之間的摩擦性能 (采用低摩擦系數、 導軌材 料、 貼塑導軌 。這里以降

12、低摩擦系數為主。而 P 與 工件質量及工作臺重量相關。一般不能改變。而發(fā) 熱量 Q 與運動 V 有關。當 V 增大時 , Q 也增大 , 溫 升 (T 增加 , 但不成正比。因此 , 降低摩擦系數 f 是 減少導軌溫升一個重要措施。靜壓導軌、 貼塑導軌 在這里發(fā)揮了它應有的優(yōu)越性。(3 一般說來 , 油箱自然散熱 , 可以滿足油箱溫 控制要求。但是對磨床來說 , 液壓油的油溫及潤滑 油的油溫應嚴格控制 , 有時需要恒溫 , 以保持機床正 常的工作精度 , 在此情況下 , 需要對油溫進行控制 , 除了風扇吹風或冷凍機吹風外 , 也可在油箱內部安 排蛇形管或管式冷卻器 , 以冷卻水將多余的熱量帶

13、走。另外 , 在油泵、 液壓缸熱源外面加隔熱罩 , 以減 少熱源熱量的輻射 ; 采用雙層壁結構之間有空氣層 , 使外壁溫升較小 , 又能限制內壁的熱脹作用。2、 采用高輸入、 低發(fā)熱的電機 , 排除發(fā)熱源。 砂輪架應用高頻電動機傳動 ; 只要輸入的電流 頻率高 , 則電動機轉速可達到很高 , 實現高速精密加 工。這種傳動方式使用比較可靠、 功率大 , 維修保養(yǎng) 方便。磨床頭架可采用可控制硅直流無級調速 , 現已 應用 MG1432A 、 M1380、 S750等等都是采用可控硅直 流無級調速 , 與機械無級調速相比 , 具有結構簡單、 緊湊、 調速范圍大、 且調速平穩(wěn)、 發(fā)熱小的優(yōu)點。3、 冷

14、卻熱源。(1 原來用空氣冷卻電動機 , 可改變用氫、 氦氣 冷卻。因它們的導熱系數比一般氣體高 (5-10倍 因此 , 改用氫、 氦氣體冷卻 , 其效果好得多。(2 對磨床類機床各部件 , 改善表面光潔度、 油 漆、 氧化和表面處理 , 都可以改善機床各表面的吸熱 條件 , 從而控制各種熱源的影響。4、 均衡溫度場。磨床在上述有關熱源的作用下 , 溫度逐漸上升 , 同時它們以各種傳遞方式向周圍介質散發(fā)熱量。由 于磨床各部件的組成部分的熱源其發(fā)熱量、 位置和 作用時間各不相同 , 各部分的熱容量、 散熱條件也不 一樣 , 各部分的溫升也不相同 , 既使同一構件 , 處于 不同的空間位置上各點在不

15、同的時間其溫度也不相 同。這時可采用熱風或油溝來均衡溫度場。2002年第 2期 (總第 150期 (1 在立式平面磨床上 , 采用熱空氣加熱溫度較 低的后壁 , 以均衡立柱后壁溫升 , 減少立柱的彎曲變 形 , 如圖 6所示 :圖 6 在立式平面磨床上用熱空氣均衡立柱后壁溫度場(2 普通平面磨床 , 設計時 把油池放在床 身底 部 , 其床身底部的溫度高于床身頂部 , 形成床身中部 中凹。若將油池全部從床身移出 , 形成床身頂部因 工作臺移動的摩擦熱而導致頂部溫度高于其底部 , 床身頂部將會出現中部中凸問題。如 M7150A 平面 磨床 , 床身比較長 , 加工時工作臺縱向運動速度快 , 故在

16、床身上部所產生的熱量大 , 從而易形成床身上、 下部溫差 , 而引起熱變形。這時 , 可將油池 移出主 機并做成一個單獨的油箱 , 另外在床身下部置一個 熱補償油溝 , 利用帶有余熱的回油流經床身下部 , 使床身上、 下部溫度 差降至 12 , 導軌中 凸量由 原來的 0. 265mm 降為 0. 052mm 。如圖 7 所示。圖 7 M 7150A 平面磨床床身的熱補償油溝5、 使用隔熱材料隔離熱源。隔離熱源可以從根本上減少磨床熱變形。凡是 可能從機床中可分離出去的熱源如電動機 , 液壓系 統、 冷卻系統等均應移出 , 使之成為獨立單元 , 對于不能分離的熱源可從結構、 潤滑等方面改善其性能

17、 , 減少發(fā)熱。同時可用防熱材料將發(fā)熱部件和機床大 件隔離開來。6、 采用熱對稱結構和支承位置的合理布置。(1 采用熱對稱結構、 對大型機床 , 熱態(tài)特性能 影響極大 , 尤其是對龍門式超精平面磨床來說 , 影響 較為突出 , 若采用單柱式結構 設計 , 易 產生彎曲變 形 , 若采用雙立柱式對稱結構 , 僅產生垂直方向的平 移 (這種單 向的原 始誤差 用垂 直坐標 修正量 來補 償 。與此同時 , 在龍門式超精密平面磨床 , 人們設 計采用全部新型結構 , 底座、 主柱及部分導軌的材料 均采用精度高、 穩(wěn)定性好的人造花崗巖。在縱方向 采用高剛度的氣體靜壓真空平衡導軌 , 橫向軸則采 用 口

18、 型氣體靜壓導軌 , 垂直方向軸則采用液體靜 壓導軌 , 砂輪主軸為氣體靜壓軸承 , 同時還設計出砂輪中置機構 , 這種全新結構設計 , 大大提高機床的整 體剛度、 穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。(2 合理安排支承位置 , 使產生的熱位移 (對加 工精度有影響 的有效部分縮短。(a (b圖 8 支承距離對砂輪架熱位移的影響如圖 8所示為磨床中砂輪架的安裝結構的兩種 形式。其中圖 (a 的結構比圖 (b 的結構好 , 其原因 需要控制砂輪 Y 方向位置的絲 杠的有效長度。在圖 (a 中 L 1為比圖 (b 中的 L 要短 , 因此熱變形而產 生的加工誤差小。7、 采用熱膨脹低的材料 , 抑制熱變形。 (1

19、采用新型的材料制造磨床的床身。樹脂混 凝土是制造機床床身一種新型材料。它剛度高 , 具 有良好阻尼比為灰鑄鐵 8-10倍?？拐裥院?, 熱容量大 , 熱傳導率低 , 導熱系數只為灰鑄鐵的 1/25-1/40。熱穩(wěn)定性高 , 其構件熱變形小 , 它可獲得良好 的幾何形狀精度 , 表面粗糙度也較低 , 有良好耐腐蝕 性 , 與金屬粘接力強 , 在精密加工機床的應用中 , 有 廣闊的前景。(2 磨床主軸可采用陶瓷 , 其線膨脹系數幾乎為精密制造與自動化零 , 是制造高精度機床零件 (主軸 的理想材料。8、 機械與軟件方面控制熱變形隨著市場競爭的國際化 , 對產品技術性能的要 求越來越苛刻 , 制造精

20、度的要求也越來越高 , 在這種 情況下 , 采用傳統的措施 , 一味提高機械裝備自身的 精度已無法奏效 , 需要采用誤差補償技術 , 機床誤差 補償技術可以是機械式的。(1 在磨床的結構設計中 , 采用自動補償裝置。某雙面磨床曾發(fā)生主軸前端伸量超差 , 其熱伸 長量達到 0. 08m m, 而軸 承的溫升達到 27 。針對 上述情況 , 可采取如下措施 , 用二號潤滑脂以減少軸 承的發(fā)熱量。另外 , 在前軸承與箱體之間增設一個 過渡 補 償 套 , 用于 補 償 端 面 磨 床 主 軸 伸 長 超 差 (0. 08mm 的問題。如圖 9所示套 筒 與箱體 僅 在前端接觸 , 后端與孔壁不接觸。

21、當主軸 因軸承 發(fā)熱而向前伸長時 , 由于套筒 只在端部與箱體連 接 , 套筒 則向后伸長 , 并使整個主軸向后推移 , 自 動補償了主軸的向前伸長量 , 這樣 , 消除了主軸熱變 形對加工精度的影響 , 獲得滿意的效果。圖 9 主軸熱伸長補償結構(2 磨床熱補償技 術 :它是 對磨床溫度控 制過 程。先是附加人工熱源 , 升高磨床一些區(qū)域溫度來 實現對磨床熱誤差變形的控制。通過熱補償可達到 兩個目的 :其一是減少機床熱誤差對加工精度的影 響程度 , 其二是縮短或者消除機床預熱的時間。因 此 , 從本質上來說 , 機床熱補償控制過程是一個控制 溫度過程 , 溫度控制是通過附加人工熱源的發(fā)熱量 來調整和穩(wěn)定機床溫度和分布狀態(tài)。因此 , 人工熱源的熱激勵裝置在熱補償過程中 具有重要地位 , 它可以實現對機床溫度狀態(tài)下的高 度控制。其熱激勵裝置設計已在國內外資料中均有 介紹 , 本文不再贅言。(3 采用先進的數字化誤差補償技術 , 它是通過 仔細分析各種引起的加工誤差的因素 , 建立誤差數 字模型 , =f(X1X