GTM500200车铣加工中心滑枕的关键技术分析

3.1滑枕体热变形补偿装置
从金属热膨胀原理知道，当金属部件温度均匀上升，沿长度方向的热膨胀也是均匀的。如果金属部件受热不均匀，两侧温度上升不一致，当上侧温度高于下侧时，金属部件上侧的膨胀量大于下侧的膨胀量，从而使金属部件向上弯曲，产生了热变形。热变形的规律是：温度高的一侧向外凸出，温度低的一侧向内凹进，即“热凸内凹” [5]。
因此，虽然滑枕体在多种热源的共同作用下，而且在不同工况下，这些热源不是恒定的。但是，由于本滑枕总成结构的分布成对称性，热源和冷却设备也成线性分布，从优化过的滑枕总成结构使滑枕体的温度场从复杂多变形性简化成了一个接近线性的温度场。在这样的温度场作用下，滑枕总成产生的热应力和热位移可近似看成线性。这样滑枕的热变形量发生在滑枕轴向方向，减小了滑枕由于热变形产生扭曲。所以只需要增加能够补偿滑枕热伸长的装置，就可以提高机床加工质量。
3. 1.1滑枕热变形热源分析
滑枕的热量来源分别为：
滑枕体导轨外表面与滑枕外壳静压导轨油摩擦产生的摩擦热。此部分的热量一部分随液压油流回液压站，一部分热传递到滑枕体内部，是滑枕热变形最主要的热源。
滑枕内部的电主轴。切削电主轴在运转过程中会产生大量的热能，虽然通过从冷却装置的冷却水会传递走大部分的热量，但是还是有很大一部分热量传递到了滑枕体中。
滑枕内部的减速机。减速机为行星轮减速机，也就是说存在齿轮结构，传递动力的过程中，齿轮与齿轮之间就会产生热量，虽然齿轮是在有冷却装置循环的油浴中，但是产生的热量还是有一部分会传递到滑枕体中。
主轴轴承等运转部件。当电主轴转动传递扭矩及动力时，连接的传动轴的轴承，内圈和外圈在旋转过程中，同样会产生大量的摩擦热，热量同样会传递到滑枕体。
由于刀具是安装在附件头上，所以刀具在切削过程中产生的热量是几乎无法传递到滑枕体的。
综上所述，滑枕体在加工过程中还是得到了相当大的热量，最终发生热膨胀，导致滑枕体整体伸长，影响加工精度。
本滑枕通过增加了一套热变形补偿装置，大大降低了这种影响。
3.1.2热变形改进方案_
铝与钢的热膨胀系数比约为2: 1。依靠下面设计的结构可抵消滑枕的热变形。
物体由于温度改变而有胀缩现象。其变化能力以等压(P—定)下，单位温度变化所导致的体积变化，即用热膨胀系数表示。
Thermal expansion coefficient
热膨胀系数有线膨胀系数a、面膨胀系数p和体膨胀系数Y。
线膨胀系数a=AL/(L*AT)，
面膨胀系数P=AS/(S*AT)，
体膨胀系数Y=AV/(V*AT),
式中AL为所给长度变化AT下物体温度的改变，L为初始长度；AS为所给面积变化AT下物体温度的改变，S为初始面积；AV为所给体积变化AT下物体温度的改变， V为初始体积；
严格说来，上式只是温度变化范围不大时的微分定义式的差分近似；准确定义要求 AV与AT无限微小，这也意味着，热膨胀系数在较大的温度区间内通常不是常量。
温度变化不是很大时，a就成了常量，利用它，可以把固体和液体体积膨胀表示如下：
Yt=V0(l+3aAT),
而对理想气体，
Vt=V0(l+0.00367AT)；
Vt、V0分别为物体末态和初态的体积
对于可近似看做一维的物体，长度就是衡量其体积的决定因素，这时的热膨胀系数可简化定义为：单位温度改变下长度的增加量与的原长度的比值，这就是线膨胀系数。
对于三维的具有各向异性的物质，有线膨胀系数和体膨胀系数之分。如石墨结构具有显著的各向异性，因而石墨纤维线膨胀系数也呈现出各向异性，表现为平行于层面方向的热膨胀系数远小于垂直于层面方向[6]。
宏观热膨胀系数与各轴向膨胀系数的关系式有多个，普遍认可的有Mrozowski算式：
a=Aac+(l-A)aa
aa,ac分别为a轴和c轴方向的热膨胀率，A被称为“结构端面”参数。
测定温度条件及单位：20°C，（单位10E-6/K或10E-6/°C)
表3.1铝和钢的热膨胀系数
Tab. 3.1 The thermal expansion coefficient of aluminium and steel

金属名称	温度范围	线性热膨胀系数
铝	A1	23.6
钢	20-100	11.8

由上表3.1可以看出铝的热膨胀系数是钢的2倍。因此在滑枕里加工出一个通孔，里面安装一根铝管，在铝管的里面套一根钢棒，钢棒与铝管的底部用销子固定在一起，铝管的上部与滑枕的上部固定在一起，钢棒的上部与测量装置固定，这样当滑枕温度升高，相对于滑枕的底面，即加工刀具的部位与测量装置之间的距离是不变的。消除了热变形现象。显著特点：
(1) 利用了铝的热膨胀系数是钢的两倍性能。材料只是钢和铝，材料为常用材料，成本低。
(2) 材料铝和钢有良好的加工性能。
(3) 通过铝的热膨胀系数是钢的两倍性能消除了滑枕的热变形现象。
钢、铝热膨胀系数不同消除滑枕热变形的装置如图3.1所示。主要包括滑枕套件（1 号套件）、销钉（2号套件）、铝管（3号套件）、钢棒（4号套件）、测量装置（5号套件）、固定套件（6号套件）。通过固定套件将铝管的后端固定在滑枕的后端；通过销钉将铝管前段与钢棒前端固定；将测量装置固定在钢棒的后端。
滑枕热变形过程示意图1，如图3.2所示。通过销钉（1号套件）固定钢棒和铝管，通过固定套件（2号套件）将铝管固定在滑枕上。用于实现钢铝的热膨长度不同，消除整体变形量。
利用钢、铝热膨胀系数不同消除滑枕热变形原理示意图2,如图3.3.所示。表明滑枕前端刀具（1号套件）与测量装置（2号套件）在热量作用下，滑枕是钢件设定滑枕热伸长1个单位；钢棒同样材质是钢，设定滑枕热伸长1个单位；因此钢材是热伸长总长为2个单位。铝管的材质为铝，可根据：钢的热膨胀系数(1/°C):每升温1度.单位毫米0.0000118;铝的热膨胀系数(1/°C):每升温1度.单位毫米0.0000236,设定铝的热伸长2个单位，由于是反方向伸长，这样就消除了钢材所产生的热变形。
综上所述，本发明利用钢、铝热膨胀系数不同消除滑枕热变形的装置即消除了滑枕热变形所导致的加工精度降低，又降低了成本，采用常用的材料。
3.1.3热变形改进方案二
由于滑枕体的材料是38CrM〇AlA，其热膨胀系数近似于45号钢，在不同温度下是存在不同的热变形的。本方案为增加一根殷瓦合金棒，一端固定于滑枕下部端面，一端为浮动式安装，在浮动式安装端固定滑枕Z轴测量光栅尺的光栅尺测头，而光栅尺尺身安装在滑枕外壳的支架上，如图3. 4所示。因此光栅尺测量的读数为殷瓦合金测量杆得到的没有热变形的滑枕伸出长度。
殷瓦合金属于铁基高镍合金，通常含有32%-36%的镍，还含有少量的S、P、C等元素，其余为60%左右的Fe，由于镍为扩大奥氏体元素，故高镍使奥氏体转为马氏体的相变降至室温以下，一 100?一120°C，因而经退火后，殷瓦合金在室温及室温以下一定温度范围内，均具有面心晶格结构的奥氏体组织，也是镍溶于丫-Fe中形成的固溶体，因而因瓦合金具有以下性能。
(1) 膨胀系数小
殷瓦合金也叫不胀钢，其平均膨胀系数一般为1.5xlO-6°C，含镍在36%是达到1.8 xlO-8°C，且在室温一80°C —+100°C时均不发生变化。
(2) 强度、硬度不高
殷瓦合金含碳量小于0.05%，硬度和强度不高，抗拉强度在517Mpa左右，屈服强度在276Mpa左右，维氏硬度在160左右，一般可以通过冷变形来提高强度，在强度提高的同时仍具有良好的塑性。
(3) 导热系数低
殷瓦合金的导热系数为0.026?0.032〇31/〇11別(^(：,仅为45钢导热系数的1/3-1/4。
(4) 塑性、韧性高
殷瓦合金的延伸率和断面收缩率以及冲击韧性都很髙，延伸率3=25-35%,冲击靭性aK=18-33公斤•米/厘米[7]
主要用来制造标准尺、测温计、测距仪、钟表摆轮、块规、微波设备的谐振腔、重力仪构件、热双金属组元材料，光学仪器零件等。熔融法制造。

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