五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及熱源分析

謝晨琳

[摘? ? 要]文章針對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床熱分析復(fù)雜問題，以某立式五軸數(shù)控機(jī)床為研究對(duì)象，首先，從機(jī)床結(jié)構(gòu)方面詳細(xì)分析了機(jī)床熱誤差產(chǎn)生的原因并綜合講述了五軸機(jī)床中熱的主要來源;其次，對(duì)五軸機(jī)床各熱源的產(chǎn)熱原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析;最后，通過主要發(fā)熱零部件產(chǎn)生熱量的對(duì)比，分析出機(jī)床各部件中的熱源關(guān)鍵部件。為有針對(duì)性地實(shí)施機(jī)床熱控制，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工精度提高提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

[關(guān)鍵詞]五軸數(shù)控機(jī)床;結(jié)構(gòu);熱源

[中圖分類號(hào)]TG659 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]2095–6487（2021）05–00–02

Structural Features and Heat Source Analysis Methods of Five-axis CNC Machine Tools

Xie Chen-lin

[Abstract]In response to the problem of thermal experimental data in the process of cherishing machinery， it is difficult to obtain， difficult to perform hot characteristic analysis， and propose a comprehensive finite element analysis model for considering electric sponsors and heat and heat dissipation， using finite element analysis methods to get hot The temperature field distribution map can provide theoretical basis and data support for temperature control and thermal analysis of the CNC machine. It provides theoretical foundation and technical support for the targeted implementation of machine tool thermal control， so as to improve the machining accuracy of machine tools.

[Keywords]five-axis CNC machine tool; structure; heat source

五軸數(shù)控機(jī)床是復(fù)雜零件加工的重要設(shè)備，隨著制造業(yè)對(duì)加工精度要求的逐漸提高，影響五軸數(shù)控機(jī)床加工精度的因素已不容忽視。其中，熱誤差是影響機(jī)床加工精度的主要因素，可占機(jī)床總加工誤差的30%左右。五軸機(jī)床主要材質(zhì)為金屬，由于金屬具有熱脹冷縮的固有特性。在數(shù)控機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行加工時(shí)，其內(nèi)外熱源會(huì)讓機(jī)床局部溫度升高，金屬部件受熱膨脹，產(chǎn)生熱變形，所引起的刀尖點(diǎn)的實(shí)際位置與理想位置之間的偏差稱為熱誤差[1]。各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件受熱產(chǎn)生熱變形的變形量與各部件產(chǎn)熱量息息相關(guān)，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致機(jī)床各部件產(chǎn)熱量及熱量傳遞形式不同[2];同時(shí)，不勻均的機(jī)床溫度場(chǎng)同樣會(huì)加劇機(jī)床熱變形，因此分析五軸數(shù)控機(jī)床的熱誤差的前提是對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及內(nèi)外熱源進(jìn)行研究。

1 五軸機(jī)床結(jié)構(gòu)分析

某立式五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)如圖1所示，其主要組成包括：x/y/z向?qū)к?、x/y/z向滑塊、B軸擺軸、C軸轉(zhuǎn)臺(tái)、床身、主軸。因?yàn)殍T鐵具有熱傳導(dǎo)系數(shù)小、熱膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，因此床身及主要零部件均使用鑄鐵制造，機(jī)床主要性能參數(shù)見表1。

機(jī)床熱源根據(jù)其來源不同主要分為外部熱源和內(nèi)部熱源。五軸數(shù)控機(jī)床與普通三軸數(shù)控機(jī)床相比，在安裝條件、運(yùn)行環(huán)境相同的情況下，由于外部環(huán)境相同，因此機(jī)床受外部熱源的影響類型基本相同。由機(jī)床結(jié)構(gòu)分析可知，五軸數(shù)控機(jī)床在三軸數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，因此五軸數(shù)控機(jī)床的內(nèi)部熱源更為復(fù)雜。

圖1所示五軸數(shù)控機(jī)床的五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸均由驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量[3]，機(jī)床主軸為電主軸，具有傳動(dòng)比穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，但由于主軸直接與電機(jī)輸出連接，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量直接傳遞到主軸端，即使在目前一些主流機(jī)床設(shè)備中配備了主軸冷卻系統(tǒng)，但當(dāng)主軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，冷卻系統(tǒng)仍無法完全帶走軸承摩擦和定轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的熱量。直線運(yùn)動(dòng)是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠在導(dǎo)軌上滑動(dòng)，因此絲杠、軸承和導(dǎo)軌會(huì)摩擦生熱;五軸數(shù)控機(jī)床比三軸機(jī)床多兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，其軸承摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，并且B擺軸和Z軸之間、C轉(zhuǎn)臺(tái)與床身之間相互摩擦同樣會(huì)產(chǎn)生熱量;在實(shí)際切削過程中，切削液能帶走部分熱量，殘留的切削熱會(huì)通過刀具、鐵屑以及冷卻液傳遞到主軸和工作臺(tái)上，從而導(dǎo)致機(jī)床熱誤差的增大[5]。因此五軸數(shù)控機(jī)床在運(yùn)行過程中存在更多的熱源，這些存留在數(shù)控機(jī)床中的熱量會(huì)引起刀尖點(diǎn)相對(duì)于工件切削成型點(diǎn)發(fā)生偏移。綜合上述分析，機(jī)床的熱源及熱變形機(jī)理如圖2所示。

2 機(jī)床各主要發(fā)熱運(yùn)動(dòng)部件的產(chǎn)熱原理

2.1 電主軸的產(chǎn)熱原理

五軸數(shù)控機(jī)床使用的是混合電主軸，電主軸主要結(jié)構(gòu)包括：無刷電機(jī)、高精度軸承、主軸冷卻機(jī)構(gòu)、鎖刀和松刀機(jī)構(gòu)、殼體等[4]。其中，無刷電機(jī)作為主軸的驅(qū)動(dòng)裝置，在機(jī)床加工過程中，電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子會(huì)產(chǎn)生大量熱量;軸承為主軸的主要支撐裝置，在主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，軸承的內(nèi)圈與滾子、滾子與軸承外圈之間會(huì)產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生大量熱量傳遞到主軸上;主軸冷卻系統(tǒng)為散熱結(jié)構(gòu)，其主要功能為帶走主軸系統(tǒng)中的熱量，因此不計(jì)冷卻系統(tǒng)所產(chǎn)生的熱量;鎖刀和松刀機(jī)構(gòu)的主要功能是在五軸加工中心換刀過程中實(shí)現(xiàn)刀具的鎖止與放松，只在換刀時(shí)運(yùn)動(dòng)，為間歇性運(yùn)動(dòng)，每次的運(yùn)動(dòng)范圍不大，因此鎖刀和松刀機(jī)構(gòu)所產(chǎn)生熱量較少，對(duì)機(jī)床的影響可忽略不計(jì);殼體的主要功能是保護(hù)主軸系統(tǒng)，防止空氣中的灰塵等雜質(zhì)進(jìn)入主軸箱，從而保證主軸處于一個(gè)較良好的運(yùn)動(dòng)環(huán)境，其本身不產(chǎn)生熱量;電主軸構(gòu)造復(fù)雜，密封性好，主要發(fā)熱源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)定子、轉(zhuǎn)子發(fā)熱和前后軸承摩擦生熱，熱量難以通過冷卻系統(tǒng)完全散失，剩余的熱量共同影響電主軸內(nèi)部部件，傳熱過程可以簡(jiǎn)化為主軸冷卻系統(tǒng)帶走部分熱量，剩余熱量通過熱傳導(dǎo)傳遞到主軸上，最終影響到軸端位移。

2.2 平動(dòng)軸的產(chǎn)熱原理

該五軸數(shù)控機(jī)床平動(dòng)軸是通過滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠兩端各有一個(gè)滾動(dòng)軸承和軸承座。在平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)熱的3個(gè)主要熱源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)、滾珠絲杠摩擦以及軸承摩擦，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過皮帶輪帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過滾珠絲杠機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平動(dòng)軸的移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生熱量，但驅(qū)動(dòng)電機(jī)與絲杠之間通過皮帶輪連接，皮帶的主要材質(zhì)為天然膠和聚酯線繩，導(dǎo)熱性能較差，因此，電機(jī)通過V帶傳遞到絲杠的熱量較小，可忽略不計(jì)，電機(jī)所產(chǎn)生的熱主要傳遞到空氣中。在平動(dòng)軸進(jìn)行進(jìn)給時(shí)，滾珠絲杠中，螺母在絲杠上來回運(yùn)動(dòng)，相互摩擦，產(chǎn)生大量摩擦熱;滾珠絲杠兩端由滾動(dòng)軸承支撐，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)帶動(dòng)軸承在軸承座上轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生大量摩擦熱。綜合上述分析，在平動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中主要的熱源是螺母與絲杠之間的摩擦熱以及絲杠兩端的軸承摩擦熱，其中小部分熱量通過熱對(duì)流和熱輻射傳遞到周圍空氣中。

2.3 導(dǎo)軌的產(chǎn)熱原理

導(dǎo)軌系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中的重要組成部分，其中滑臺(tái)與平動(dòng)軸的螺母固定連接，絲桿的軸承座與導(dǎo)軌固定連接，平動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿上的螺母在絲桿上實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，螺母與滑臺(tái)固連，實(shí)現(xiàn)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上的滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平動(dòng)軸的直線切削進(jìn)給。當(dāng)滑臺(tái)在導(dǎo)軌上來回滑動(dòng)時(shí)，由于接觸面積大、正壓力大且運(yùn)動(dòng)頻繁，因此滑臺(tái)與導(dǎo)軌之間會(huì)產(chǎn)生摩擦熱，且是導(dǎo)軌發(fā)熱的主要熱量來源。

2.4 旋轉(zhuǎn)軸的產(chǎn)熱原理

由圖1的機(jī)床結(jié)構(gòu)分析可以看出，機(jī)床中除了3個(gè)平動(dòng)軸還有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，分別為繞Z軸旋轉(zhuǎn)的C轉(zhuǎn)臺(tái)和繞Y軸旋轉(zhuǎn)的B擺軸。C轉(zhuǎn)臺(tái)可實(shí)現(xiàn)繞Z軸的360°回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，B軸的運(yùn)動(dòng)范圍為0～110°，由于旋轉(zhuǎn)軸的功能主要是實(shí)現(xiàn)在一次裝夾狀態(tài)下，改變工件與刀具之間的相對(duì)位姿，從而改變刀具對(duì)工件的切削角度。旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)是通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，在電機(jī)運(yùn)行過程中電機(jī)轉(zhuǎn)子和定子會(huì)產(chǎn)生熱量，傳遞到機(jī)床床身;同時(shí)，旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸和與之相連的機(jī)床組件之間相接觸，會(huì)存在摩擦生熱的現(xiàn)象，因此旋轉(zhuǎn)軸的主要熱源為驅(qū)動(dòng)電機(jī)產(chǎn)熱以及旋轉(zhuǎn)軸和與之相連的機(jī)床組件之間的摩擦生熱。

3 五軸數(shù)控機(jī)床熱源整體分析

通過各零部件的發(fā)熱計(jì)算，可得到主要發(fā)熱運(yùn)動(dòng)部件發(fā)熱量的占比，如圖3所示。從圖3中計(jì)算結(jié)果可以看出五軸數(shù)控系統(tǒng)主要熱源中電主軸的發(fā)熱量最大，導(dǎo)軌系統(tǒng)的發(fā)熱量最低。但在實(shí)際加工過程中，伴隨著換刀等輔助動(dòng)作，導(dǎo)軌和滑臺(tái)產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)軌的發(fā)熱量也會(huì)有所增加。結(jié)合對(duì)熱源的定量計(jì)算及占比分析，得到機(jī)床內(nèi)主要運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生熱源的大小的次序?yàn)殡娭鬏S、絲杠、旋轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)軌。這些熱源所產(chǎn)生的熱量傳遞到機(jī)床的零部件上是零部件發(fā)生熱膨脹，從而導(dǎo)致機(jī)床刀尖點(diǎn)偏離工件的理想切削點(diǎn)，形成熱誤差，影響機(jī)床加工精度。

4 結(jié)語

五軸數(shù)控機(jī)床是加工復(fù)雜零部件的重要設(shè)備，其加工精度受機(jī)床溫度影響較大，針對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)復(fù)雜、熱源繁多的問題，首先從機(jī)床結(jié)構(gòu)上分析機(jī)床熱的來源，其次根據(jù)數(shù)值計(jì)算方法對(duì)各熱源的產(chǎn)熱量進(jìn)行計(jì)算，最后通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，排列出機(jī)床各部件產(chǎn)熱量的大小次序?yàn)殡娭鬏S、絲杠、旋轉(zhuǎn)軸和導(dǎo)軌。此熱源分析可拓展到其他類型的機(jī)床型號(hào)，可為有針對(duì)性地實(shí)現(xiàn)機(jī)床熱控制提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

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