卧式加工中心热变形控制与热误差补偿技术研究

0 前言

精密和超精密加工技术已经成为现代机械制造中重要组成部分和发展方向，并成为提高国际竞争能力的关键技术［1］。随着生产过程自动化程度的不断提高和精密加工技术的广泛应用，对数控机床加工精度的要求也日益提高。数控加工中心在加工过程中，各部件由于受到摩擦热、冷却液以及环境温度等热源的影响而温度升高，产生热变形，使得刀具和工件之间原来相对正确的位置遭到破坏，最终导致工件的热误差。大量研究表明:热误差是数控机床加工中最大的误差源，热变形能够造成机床达40%～70%的误差［2］，减小热误差对提高机床的加工精度至关重要。

与国外先进技术相比，国内热变形控制与热误差补偿技术研究和应用的基础较弱、经验不足。通过结合科技创新重大专项“面向汽车行业的智能化卧式加工中心及生产线成套设备”项目的实施，从减少发热、控制温升、热误差补偿3个层次对卧式加工中心的热变形控制与热误差补偿技术进行了研究和应用。

1 热源分析

卧式加工中心的热源主要可分为三类:(1)加工工件时的切削热;(2)机床相对运动部件间的摩擦热，如丝杠、导轨、轴承等;(3)机床电气部件如主轴电机、伺服驱动电机、液压站电机、排屑系统电机、冷却系统电机等的发热［3］。对于切削热的产生机制、传递规律以及刀具切削参数的优化等内容不做论述，因为切削热可以通过刀具内、外冷却以及机床加工区喷淋冷却系统的应用加以控制［4］。主要研究机床相对运动部件间的摩擦热以及主轴电机、伺服驱动电机发热等引起的热变形控制和热误差补偿。

2 减少发热

发热会引起机床部件局部的温度升高，局部的热膨胀引起热变形，造成热误差的出现，最理想的情况自然是不发热。当然这是不可能的，机床要加工工件必然要运动、要有力的存在，也就必然会产生相对运动部件间的摩擦热。虽然不可避免，但可以减少摩擦热的产生。相对运动零部件间的摩擦热可通过提高运动功能部件精度、降低摩擦因数或改滑动为滚动等方式解决。

2.1高精度功能部件的选用

选用高精度的功能部件可提高机床的运动精度和定位精度、减少摩擦热的产生，但功能部件精度不能无限制地提高，且随着精度的提高，功能部件成本的提高更为明显;同时在较高精度范围内，提升功能部件的精度对减少摩擦热的影响变得很小;因而通过一味追求功能部件的高精度来减少摩擦热的产生，与几乎呈指数关系急速增长的成本相比是得不偿失的。通常卧式加工中心选择P4级以上的主轴轴承、C3级以上的滚珠丝杠和SP级以上的导轨即可满足较高的精度指标，同时较为有效控制摩擦热。

2.2润滑

有效的润滑是减少摩擦热产生必不可少的措施。丝杠、丝杠支撑轴承以及导轨通常采用集中稀油润滑或脂润滑方式。主轴轴承的润滑通常有脂润滑、稀油润滑、油气润滑和油雾润滑4种［5］。采用不同的润滑方式，主轴轴承摩擦热的产生和温升特性是不同的，采用脂润滑和稀油润滑的轴承极限转速较低，高速运转时摩擦热产生较快，温度升高较快;采用油气润滑和油雾润滑的轴承温升状态较好。如采用油雾润滑，润滑油的微小颗粒排出后会悬浮在空气中，造成空气污染，不能满足环保和绿色制造的要求，因而高速卧式加工中心主轴通常采用油气润滑方式。油气润滑方式节省润滑油，无污染，能够显著减少轴承系统的摩擦和磨损，延长轴承的寿命，同时气体排出主轴时可以带走轴承系统的部分摩擦热，起到冷却轴承系统的作用。采用油气润滑除要求油品质量高外，对气体也要进行精细化处理，与油品混合前应除尘、除水、除油，过滤精度通常需达到0.01μm。

3 控制温升

热量的产生不可避免，如果能将产生的热量消除或带走或隔绝而不引起机床零部件的局部温度升高，也将不会产生机床热变形。研究第二层次考虑采用冷却的手段控制卧式加工中心关键部件的温升或均衡关键部件温度场，以达到控制热变形的目的。

3.1主轴温升

控制系统主轴温升控制系统主要由冷却装置、管路和主轴螺旋冷却水路组成封闭的自循环系统，通过循环油(水)带走主轴轴承部位的热量。冷却装置采用大功率油(水)冷机，同时用温度传感器监测冷却油(水)及机体温度，对从主轴返回的冷却油(水)进行绝对温度控制或与机体温度比较进行相对温度控制，通过自循环冷却油(水)实时带走主轴轴承部位的热量，实现主轴温度控制。

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结论

从减少发热、控制温升、热误差补偿3个层次对卧式加工中心产品的热变形控制与热误差补偿技术进行研究，并提出了各个层次控制热变形及热误差的具体技术和措施。

研究中提出的卧式加工中心产品的热变形控制与热误差补偿技术已在HDM系列精密卧式加工中心研发中获得了应用。产品采用了P4级主轴轴承并采用油气润滑;C2级滚珠丝杠和SP级的直线导轨，稀油集中润滑;应用了中控丝杠温升抑制技术，并对伺服驱动电机进行了热隔离;试验并应用了热误差补偿技术，采用了高精度的闭环反馈系统。经国家权威部门检验，机床定位精度达到0.004mm，重复定位精度达到0.002mm，获得了优良的应用效果。

研究中提出的卧式加工中心热变形控制及热误差补偿的理论和方法在金属加工设备的研发中具有共性特征，能够显著提高机床的运动精度和加工精度，可广泛应用在车削类、铣削类、镗削类、磨削类、钻削类等各类金属加工机床的研发中。

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