感謝您的關注點贊評論，友善您擷取更多精彩内容
文| 人間悟事
編輯| 人間悟事
●—≺ 前言≻—●
精密數控機床是衡量一個國家制造業水準的重要标尺，而機床加工精度的穩定性是衡量機床性能的重要名額之一。
加工精度的穩定性指的是批量加工零件時，零件尺寸精度和形位誤差的一緻性。當零件的加工精度進入微米級别時，機床加工時主軸及進給軸的熱變化就會成為影響精度的重要因素。
是以，對于進給軸熱特性的研究一直是精密數控車床領域的重點問題。通過對滾珠絲杠系統的熱源、熱邊界條件建立熱穩态仿真模型，得到熱穩态溫度場分布，并通過試驗進行驗證。
通過對勒洛多邊槽形的研究，探索出絲杠傳動效率高、摩擦發熱小的勒洛五邊形截面絲通過ANSYS軟體對雷射熔覆進給系統的絲杠進行計算分析，并考慮雷射熱源等各方面因素的影響，得到絲杠的溫度與應力變化的規律。
通過建立引入時間修正因子的伺服系統的滾珠絲杠系統溫度場預測模型，有效地預測出滾珠絲杠的溫度變化。
以一款高精度數控卧式車床為研究對象，針對精密數控車床進給軸，在加工時受熱變化帶來的精度不穩定問題，結合滾珠絲杠、軸承座、絲杠軸承整套進給系統。
從裝配工藝方法到進給系統熱穩态分析再到應用在實際精密車床産品中進行測試，對比得到變化規律，為精密數控車床改進和加工精度提升提供理論依據。
由表5可知:X軸在2 h的持續快速移動運作過程中，絲杠溫度與油冷機波動趨勢接近，可以證明油冷機冷卻能力可以完全覆寫進給系統的發熱量，運作一段時間後，絲杠溫度一直在随着絲杠進油口溫度波動，但絲杠溫度波動量不超過0.6℃。
在測量X軸某一固定位置時，随着絲杠溫度波動，位移誤差也在波動，持續運作2h後，位移誤差波動不超2 um，實作了進給精度穩定的預期效果。
●—≺ 進給軸結構及熱變形方向≻—●
精密卧式數控車床進給軸分别為X、Z軸，兩軸均采用伺服電機通過聯軸器與滾珠絲杠直接連接配接。滾珠絲杠采用一端固定一端支承的方式。
從圖1可看到 左端軸承座内角接觸球軸承與絲杠絲杆端面靠緊，即軸承座端為固定端，裝配時會優先鎖緊軸承座端的絲杠螺母，確定端面靠緊。
右端電機座内角接觸球軸承與絲杠端面有3 mm的預留間隙，即電機座端為支撐端，裝配時在此端進行預拉伸，同時在機床加工時，絲杠受熱也是向電機端方向伸長。
這樣的結構設計好處是進給軸熱伸長方向為遠離主軸的方向，即為笛卡爾坐标系下X軸的正方向。
絲杠熱伸長影響因素，在車床切削過程中，進給軸絲杠螺母受床鞍或者滑闆傳遞來的切削力的影響，與滾珠絲杠産生滾動摩擦，導緻絲杠溫度上升，絲杠因溫度升高産生沿軸向方向的熱伸長。
絲杠的溫度每上升1℃時，絲杠每1m伸長12 um。以文中研究的精密數控車床的X軸為例，絲杠導程為12mm，最高轉速為2500r/ min。
在快移和切削的過程中，都會因摩擦産生較大的熱量，使絲杠溫度升高，造成絲杠熱伸長，定位精度降低，緻使批量加工的精度穩定性降低。正常加工情況下，絲杠因發熱産生的溫升為3～6℃。
X軸絲杠有效長度430mm，其熱伸長量為15.48～30.96um，向遠離主軸方向伸長，并且溫升每提高1 ℃，絲杠熱伸長增加5.16 um。
展現在産品上，加工零件直徑的變化量是X軸熱伸長量的2倍，是以對于精密零件批量加工的穩定性，絲杠熱伸長是重要的影響因素。
●—≺ 改善熱伸長影響 ≻—●
為了補償熱伸長，可在裝配時對絲杠進行預拉伸。在機床冷機狀态下預拉伸量應略大于熱伸長量。機床加工絲杠發熱後，熱伸長量抵消了部分預拉伸量，使絲杠内的拉應力下降，但長度卻沒有變化。
需進行預拉伸的絲杠，在制造時絲杠的目标行程(螺紋部分在20 ℃下的長度)等于公稱行程（螺紋部分的理論長度等于公稱導程乘以絲杠上的螺紋圈數)減去預拉伸量。。減去的量稱為“行程補償值”。
在進行絲杠預拉伸裝配時，要求絲母座端面對基準導軌滑塊的垂直度不得大于0.005/100。在絲杠兩端壓上千分表，保證軸承座（固定端）軸承端面靠緊的前提下。
在電機座（支撐端〉對螺母進行緊固，旋緊圖2右端精密螺母拉伸絲杠，使支撐端千分表示數的變化量l,減去固定端千分表示數的變化量l的內插補點不大于要求的行程補償值Al，即1 ≤Al7。
的變化量不得大于0.01 mm，如圖2所示3點的徑向跳動不大于0.01 mm，如略有超差可按照角接觸球軸承傾斜度的調整方法進行調整。同時絲杠的周期性軸向竄動不得大于0. 005 mm，軸向竄動直接影響絲杠進給系統的位置精度，必須要嚴格控制。
受絲杠制造本身及絲杠軸承預壓限制，行程補償值中的溫度改變量一般不超過3 ℃。是以，當機床加工過程中絲杠溫升超過3℃時，預拉伸的方法就無法完全抵消。
同時，絲杠目标行程是在20℃環境溫度下絲杠的自然長度，是以對于絲杠裝配工廠中的房間的恒溫環境有一定的要求。
是以，絲杠預拉伸可作為改善進給軸熱誤差的條件之一，還需要采用其他的方式，解決預拉伸解決不了的問題。
●—≺熱誤差補償功能≻—●
目前新型号的數控系統也配有相應的進給軸熱誤差補償功能。對于批量加工的零件，可以先通過采集機床本身的熱資料，後模拟加工批量零件進行加工資料的采集。
對采集的資料進行整理，輸入到系統的補償子產品中，由系統内部運算對進給軸進行補償，進而起到改善熱誤差影響的目的。以文中研究的精密數控車床X軸為例，進行測試說明。
X軸極限資料采集測量過程。測量伺服軸在快移速度下，絲杠能達到的最大伸長量。在X軸快速移動 (24 000mm/ min)過程中，測量X軸某一固定位置的位移誤差。
在測量過程中，從機床冷機狀态下，X軸持續快速移動2 h，期間不斷測量X軸的位移誤差之後X軸停止運作，持續測量X軸位移誤差1 h。X軸極限資料采集見圖3。測量工具包括千分表、雷射位移傳感器和精密紅外測溫槍。
測量結果與分析。X軸在2h的持續快速移動運作過程中，絲杠溫度有明顯的上升，運作一段時間後，絲杠溫度穩定在24℃左右在測量X軸某一固定位置位移誤差時，随着絲杠溫度上升，位移誤差增大，持續運作1.5 h後，該位置的位移誤差達到最大，并穩定在14 u.m。詳細資料見表1。
批量零件加工模拟測試資料采集測量過程。模拟批量零件的加工程式，每次運作結束，測量X軸位移誤差，共測量23次，用時約1.5 h。
測量結果與分析。運作約1 h後，X軸位移誤差達到最大，并穩定在最大位移誤差4 um。詳細資料見表2。
通過以上兩項測試，找到絲杠溫升穩定的時點，以FANUC系統為例（見圖4），将上述測試資料及機床資訊輸入到系統補償子產品中，即可完成熱誤差的補償。
系統溫度補償子產品改善熱誤差影響的局限性，由于系統溫度補償子產品是依據資料采集的資訊進行補償，是以當客戶更換加工零件或機床環境條件有較大變化時，都會造成補償的條件變化，緻使補償失效。故此種方法适合單一零件批量加工且裝置環境基本穩定的情況。
●—≺采用中空油冷進給結構≻—●
由于絲杠溫升與熱伸長成完全正相關，那麼在機床加工時，如能将絲杠溫度變化穩定控制在3℃以内，就可以通過絲杠預拉伸的方法，消除熱伸長帶來的熱誤差，進而大幅提升批量加工的精度穩定性。
基于以上思路，設計中空油冷進給系統，通過油路循環，将絲杠産生的熱量及時帶走，實作進給軸溫度的穩定。
中空油冷進給軸結構設計，基于熱力分析結果，絲杠采用中空結構可将絲母與絲杠摩擦産生的熱量帶走，同時軸承座與電機座的軸承室也需要有冷卻油循環，将絲杠軸承高速運轉産生的熱量及進給軸伺服電機傳導給絲杠的熱量帶走。
以精密數控車床的X軸為例，中空油冷進給軸結構如圖6所示。
軸承座和電機座都設計有冷卻油循環腔體，并與中空絲杠油路相連通。油路循環開始後，軸承室内會充滿冷卻油，實作對角接觸球軸承的潤滑。冷卻油牌号為VG10主軸油，兼顧冷卻及潤滑功能。進給軸快移時，絲杠高速旋轉，是以循環油腔的密封性能很關鍵。
以軸承座固定端為例，使用的密封分3種，分别為靜态密封、旋轉密封及防塵圈。其中端蓋處的靜态o形圈，無相對位移，可正常選型防塵圈不承受媒體壓力，也可正常選型，但旋轉密封既承受一定油壓，又有相對高速旋轉，需特殊選型。
●—≺結語≻—●
分析了精密數控車床進給軸熱伸長的方向及變化量，對通過絲杠預拉伸及數控系統中的溫度補償功能來改善熱誤差這兩種方法進行了測試和局限性分析。
結合這兩種方法實際應用結果，提出采用中空油冷循環結構進行熱誤差改善。車床進給系統中，發熱量最大的部分就是絲杠軸承高速旋轉産生的熱量和絲母與絲杠滾動摩擦産生的熱量。
通過對車床X軸發熱量的計算和仿真熱分析，确定了正常工況下絲杠的熱量分布及狀态，并據此設計了中空油冷循環的進給軸結構。
針對絲杠軸承的發熱，在軸承室内設計了循環油腔，既給軸承油潤滑又通過循環将軸承産生的熱量帶走;針對絲母與絲杠産生的摩擦熱，采用中空絲杠結構，利用絲杆内部循環的冷卻油快速将熱量帶走，進而實作進給系統的溫度穩定。
通過實驗進行驗證，持續加工時X軸精度變化量小于2 um，對比原有結構4 um的變化量，消除了50%的X軸熱誤差。
采用此種結構的精密數控車床，在軸承、機器人減速器、新能源汽車等需求批量加工高穩定性的行業得到了廣泛的應用，客戶對于産品的實際加工效果給予了高度的肯定。此方法也可為其他類型的機床進給軸熱誤差的改善提供參考。
根據平台規則，您關注+點贊評論會保持鐵粉身份，更好為您推薦優質内容
---END---