机床热变形产生机理及控制措施

机床热变形产生机理及控制措施

赵 强1,2,刘素明2,张 令2,徐 辉1,2

(1.河北工业大学,天津300130; 2.河北工程大学机电工程学院,河北邯郸056038)

摘要:通过对机床的热变形产生和热源探讨与研究,用理论分析和实验2种方法进而分析机床热变形对于加工精度的影响,从而提出相应的控制与防止热变形的具体措施,对于机床热变形取得了良好的防范效果。

关键词:热变形;机床;热源

中图分类号:TH503.15 文献标志码:B 文章编号:1003 0794(2008)01 0160 02

Mechanism and Controlling Measures for Thermal Deformation of

Machine Tool

ZHAO Qiang 1,2,LIU Su -ming 2,ZHANG Ling 2,XU Hui 1,2

(1.Hebei University of Technology,T ianjin 300130,China;

2.College of Electrome Chanical Engineering,Hebei Engineer i ng Universi ty,Handan 056038,China)

Abstract :Through discussing and studying the cause and heat sources of thermal deformation of machine tool,further analysis the effects on machining accuracy from thermal deformation of machine tool with theory analysis and experiments,and points out corresponding methods to control and prevent the ther mal deformation,finally,guards against the machine tool thermal deformation effectively.Key words :thermal deformation;machine tools;heat sources 1 机床热变形的产生和热源

热源主要可以分为两大类:内热源和外热源,前者来自切削过程本身,如切削热、运动部件的摩擦热,后者来自切削时的外部条件,如环境温度、阳光、灯光的辐射热等。

图1表明了各种热源是如何作用到机床,从而产生热变形。机床在工作时的温升并不大,如磨床一般不超过15~25 ,车床一般不超过60 ,但由于一般车床都比较大,因此热变形就相对较大,从而

对加工精度产生影响。

图1 热源对机床变形的影响

2 热变形对加工精度的影响

(1)线性位移变化

由于热量扩散后造成机床主轴在不同方向上移

动,从而破坏了机床安装调试的精度,同时,也造成工作台上不同位置的变化,导致工件尺寸出现误差。

(2)角度变化

热变形引起机床主轴角度位置变化,或者工作台相对于主轴轴线出现角位移,导致主轴轴线相对于工作台的平行度或垂直度变化,造成加工表面对基准的不平行或不垂直。

(3)部件直线度变化

热变形引起工作台部件运动平面的弯曲,或者引起导轨弯曲,导致运动部件移动时出现直线度误差。如导轨磨床、龙门刨床一类的机床,变形主要在导轨上,对工件精度影响较大,这类机床床身的热变形产生中凸,因此加工出的工件也产生中凸,例如床身长度为10m 的龙门刨床,床身零件高0.8m,当床身上导轨面因摩擦热温度升高和底面相差1 时,热变形的中凸量可达0.19mm 。3 热场的测量方法

图2是C620-1普通车床温度分布情况,是用热电偶、热敏电阻等方法测量得到的车床各处的温度。另外还可以用红外点温度计、红外热像仪来拍摄整机的热像图。

图2 机床主轴模型及实验装置

4 减少机床热变形的措施

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第29卷第1期

2008年 1月

煤 矿 机 械Coal Mine Machinery

Vol 29No 1J an.2008

(1)控制机床热变形方向

使机床的热变形方向尽量不要在误差敏感方向,如车床主轴的热变形方向最好不要在水平面方向。

(2)进行热变形补偿

对于数控机床的热变形,补偿方法主要有2种: !在精度要求不高的情况下,可利用预置补偿的方法来进行,通过直接测量出的热变形数值或通过其他方法(如离线建模),找出热变形与工艺参数、时间参数的关系模型,得到其变形的变化规律,然后编程并按此规律进行误差补偿;∀精度要求较高时,可采用实时测量补偿系统进行补偿,该方法通过一定的实时测量系统和误差模型快速实时地得到补偿值,实现实时误差补偿。

(3)机床结构优化设计

机床结构优化是在分析热变形的基础上,改进机床结构(如牛头刨床采用热对称结构,则滑枕的翘曲变形可大大改善),最大限度地减少发热元件(热源)和发热元件对机床的影响,包括采用一些冷却措施。

!改进机床结构

如牛头刨床采用热对称结构,则滑枕的翘曲变形可大大改善;另外,缩短零件变形部分的长度,也可有效减小热变形。

∀要控制机床热变形,就必须解决热源发热的问题,如提高滚动轴承的精度,对于一般传动轴尽量采用小尺寸轴承以减小摩擦的面积,改善主轴轴承及传动轴轴承的润滑条件及其装配质量;提高齿轮的制造质量(如采用磨齿齿轮)与安装质量;改善导轨的摩擦润滑条件(如采用低摩擦系数的导轨材料或采用静压导轨等)及改善丝杠,螺母的运动条件(如滚动丝杠及液压螺母)等,均为减少机床发热量的重要措施。

#隔离热源和强制冷却

隔离热源可以从根本上减小机床的热变形,凡是可能从机床分离出去的热源如电动机、变速箱、液压系统和冷却系统等均应移出,使之成为独立单元。对于不能分离的热源可从结构、润滑等方面改善其性能、减少发热,同时可用防热材料将发热部件和机床大件隔离开来。

例如将坐标镗床上主电动机置于主传动箱的顶部,并使风扇吸出的热风由电动机顶部吹出,不仅电动机的热量易于散失,而且主传动箱散热的条件较好,减少了立柱的受热并使其顶部受热均匀,从而改善立柱的弯曲变形。对于发热量大的热源,可采用强制式风冷(采用氢、氦气冷却)、大流量水冷却措施。大型数控机床,加工中心机床,采用冷冻机对润滑油切削液进行强制冷却,效果较好。

(4)其他

机床达到热平衡后再进行加工,以减少机床热变形的影响。

参考文献:

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作者简介:赵强(1976-),河北馆陶人,讲师,河北农业大学汽车与拖拉机专业,河北工程大学机电工程学院机械制造系,从事金属工艺学教学、计算机辅助设计与制造等方向研究,电话:0310-*******,电子信箱:gtzhaoqi ang03@.

收稿日期:2007 08 30

大流量安全阀研制成功

由于受到密封条件的限制,国内煤矿的安全阀最大流量仅为100L/min。如果在具有明显冲击载荷的顶板条件下使用,当顶板突然来压冲击的时候,这种阀不能够很快地卸载,会造成液压支架瞬时超载而损坏。对此,兖州矿业(集团)公司兴隆庄煤矿通过改善安全阀的密封结构和加大溢流孔径,研制出300L/min大流量安全阀,达到了大流量瞬时卸载,保证了安全阀良好密封性能和寿命。

该阀的特点在于密封装置是由弹性密封圈和特殊材料制成的护套组合型,滑阀带有安全限位和液体缓冲平衡孔,阀体内腔有与滑阀与组合密封装置相适应的机构,阀体内腔外端有一安装滤网的沟槽,与滑阀动配合的光滑圆柱腔,阀体内腔里端有一安装组合密封装置的沟槽。滑阀安全限位采用了限位台阶,台阶前有与轴线成夹角布置的液体缓冲平衡孔,滑阀末端有沿圆周均匀布置的多个较大直径的溢流孔。护套是由摩擦系数很小的高分子材料制成的环形骨架,其内孔与滑阀配合,外缘上设有密封沟槽装入O形密封圈形成组合型密封装置。李剑峰 供稿

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第29卷第1期 机床热变形产生机理及控制措施赵 强,等 Vol 29No 1