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文| 人间悟事
编辑| 人间悟事
●—≺ 前言≻—●
精密数控机床是衡量一个国家制造业水平的重要标尺，而机床加工精度的稳定性是衡量机床性能的重要指标之一。
加工精度的稳定性指的是批量加工零件时，零件尺寸精度和形位误差的一致性。当零件的加工精度进入微米级别时，机床加工时主轴及进给轴的热变化就会成为影响精度的重要因素。
因此，对于进给轴热特性的研究一直是精密数控车床领域的重点问题。通过对滚珠丝杠系统的热源、热边界条件建立热稳态仿真模型，得到热稳态温度场分布，并通过试验进行验证。
通过对勒洛多边槽形的研究，探索出丝杠传动效率高、摩擦发热小的勒洛五边形截面丝通过ANSYS软件对激光熔覆进给系统的丝杠进行计算分析，并考虑激光热源等各方面因素的影响，得到丝杠的温度与应力变化的规律。
通过建立引入时间修正因子的伺服系统的滚珠丝杠系统温度场预测模型，有效地预测出滚珠丝杠的温度变化。
以一款高精度数控卧式车床为研究对象，针对精密数控车床进给轴，在加工时受热变化带来的精度不稳定问题，结合滚珠丝杠、轴承座、丝杠轴承整套进给系统。
从装配工艺方法到进给系统热稳态分析再到应用在实际精密车床产品中进行测试，对比得到变化规律，为精密数控车床改进和加工精度提升提供理论依据。
由表5可知:X轴在2 h的持续快速移动运行过程中，丝杠温度与油冷机波动趋势接近，可以证明油冷机冷却能力可以完全覆盖进给系统的发热量，运行一段时间后，丝杠温度一直在随着丝杠进油口温度波动，但丝杠温度波动量不超过0.6℃。
在测量X轴某一固定位置时，随着丝杠温度波动，位移误差也在波动，持续运行2h后，位移误差波动不超2 um，实现了进给精度稳定的预期效果。
●—≺ 进给轴结构及热变形方向≻—●
精密卧式数控车床进给轴分别为X、Z轴，两轴均采用伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠直接连接。滚珠丝杠采用一端固定一端支承的方式。
从图1可看到 左端轴承座内角接触球轴承与丝杠丝杆端面靠紧，即轴承座端为固定端，装配时会优先锁紧轴承座端的丝杠螺母，确保端面靠紧。
右端电机座内角接触球轴承与丝杠端面有3 mm的预留间隙，即电机座端为支撑端，装配时在此端进行预拉伸，同时在机床加工时，丝杠受热也是向电机端方向伸长。
这样的结构设计好处是进给轴热伸长方向为远离主轴的方向，即为笛卡尔坐标系下X轴的正方向。
丝杠热伸长影响因素，在车床切削过程中，进给轴丝杠螺母受床鞍或者滑板传递来的切削力的影响，与滚珠丝杠产生滚动摩擦，导致丝杠温度上升，丝杠因温度升高产生沿轴向方向的热伸长。
丝杠的温度每上升1℃时，丝杠每1m伸长12 um。以文中研究的精密数控车床的X轴为例，丝杠导程为12mm，最高转速为2500r/ min。
在快移和切削的过程中，都会因摩擦产生较大的热量，使丝杠温度升高，造成丝杠热伸长，定位精度降低，致使批量加工的精度稳定性降低。正常加工情况下，丝杠因发热产生的温升为3～6℃。
X轴丝杠有效长度430mm，其热伸长量为15.48～30.96um，向远离主轴方向伸长，并且温升每提高1 ℃，丝杠热伸长增加5.16 um。
体现在产品上，加工零件直径的变化量是X轴热伸长量的2倍，所以对于精密零件批量加工的稳定性，丝杠热伸长是重要的影响因素。
●—≺ 改善热伸长影响 ≻—●
为了补偿热伸长，可在装配时对丝杠进行预拉伸。在机床冷机状态下预拉伸量应略大于热伸长量。机床加工丝杠发热后，热伸长量抵消了部分预拉伸量，使丝杠内的拉应力下降，但长度却没有变化。
需进行预拉伸的丝杠，在制造时丝杠的目标行程(螺纹部分在20 ℃下的长度)等于公称行程（螺纹部分的理论长度等于公称导程乘以丝杠上的螺纹圈数)减去预拉伸量。。减去的量称为“行程补偿值”。
在进行丝杠预拉伸装配时，要求丝母座端面对基准导轨滑块的垂直度不得大于0.005/100。在丝杠两端压上千分表，保证轴承座（固定端）轴承端面靠紧的前提下。
在电机座（支撑端〉对螺母进行紧固，旋紧图2右端精密螺母拉伸丝杠，使支撑端千分表示数的变化量l,减去固定端千分表示数的变化量l的差值不大于要求的行程补偿值Al，即1 ≤Al7。
的变化量不得大于0.01 mm，如图2所示3点的径向跳动不大于0.01 mm，如略有超差可按照角接触球轴承倾斜度的调整方法进行调整。同时丝杠的周期性轴向窜动不得大于0. 005 mm，轴向窜动直接影响丝杠进给系统的位置精度，必须要严格控制。
受丝杠制造本身及丝杠轴承预压限制，行程补偿值中的温度改变量一般不超过3 ℃。因此，当机床加工过程中丝杠温升超过3℃时，预拉伸的方法就无法完全抵消。
同时，丝杠目标行程是在20℃环境温度下丝杠的自然长度，因此对于丝杠装配车间的恒温环境有一定的要求。
因此，丝杠预拉伸可作为改善进给轴热误差的条件之一，还需要采用其他的方式，解决预拉伸解决不了的问题。
●—≺热误差补偿功能≻—●
目前新型号的数控系统也配有相应的进给轴热误差补偿功能。对于批量加工的零件，可以先通过采集机床本身的热数据，后模拟加工批量零件进行加工数据的采集。
对采集的数据进行整理，输入到系统的补偿模块中，由系统内部运算对进给轴进行补偿，从而起到改善热误差影响的目的。以文中研究的精密数控车床X轴为例，进行测试说明。
X轴极限数据采集测量过程。测量伺服轴在快移速度下，丝杠能达到的最大伸长量。在X轴快速移动 (24 000mm/ min)过程中，测量X轴某一固定位置的位移误差。
在测量过程中，从机床冷机状态下，X轴持续快速移动2 h，期间不断测量X轴的位移误差之后X轴停止运行，持续测量X轴位移误差1 h。X轴极限数据采集见图3。测量工具包括千分表、激光位移传感器和精密红外测温枪。
测量结果与分析。X轴在2h的持续快速移动运行过程中，丝杠温度有明显的上升，运行一段时间后，丝杠温度稳定在24℃左右在测量X轴某一固定位置位移误差时，随着丝杠温度上升，位移误差增大，持续运行1.5 h后，该位置的位移误差达到最大，并稳定在14 u.m。详细数据见表1。
批量零件加工模拟测试数据采集测量过程。模拟批量零件的加工程序，每次运行结束，测量X轴位移误差，共测量23次，用时约1.5 h。
测量结果与分析。运行约1 h后，X轴位移误差达到最大，并稳定在最大位移误差4 um。详细数据见表2。
通过以上两项测试，找到丝杠温升稳定的时点，以FANUC系统为例（见图4），将上述测试数据及机床信息输入到系统补偿模块中，即可完成热误差的补偿。
系统温度补偿模块改善热误差影响的局限性，由于系统温度补偿模块是依据数据采集的信息进行补偿，因此当客户更换加工零件或机床环境条件有较大变化时，都会造成补偿的条件变化，致使补偿失效。故此种方法适合单一零件批量加工且设备环境基本稳定的情况。
●—≺采用中空油冷进给结构≻—●
由于丝杠温升与热伸长成完全正相关，那么在机床加工时，如能将丝杠温度变化稳定控制在3℃以内，就可以通过丝杠预拉伸的方法，消除热伸长带来的热误差，进而大幅提升批量加工的精度稳定性。
基于以上思路，设计中空油冷进给系统，通过油路循环，将丝杠产生的热量及时带走，实现进给轴温度的稳定。
中空油冷进给轴结构设计，基于热力分析结果，丝杠采用中空结构可将丝母与丝杠摩擦产生的热量带走，同时轴承座与电机座的轴承室也需要有冷却油循环，将丝杠轴承高速运转产生的热量及进给轴伺服电机传导给丝杠的热量带走。
以精密数控车床的X轴为例，中空油冷进给轴结构如图6所示。
轴承座和电机座都设计有冷却油循环腔体，并与中空丝杠油路相连通。油路循环开始后，轴承室内会充满冷却油，实现对角接触球轴承的润滑。冷却油牌号为VG10主轴油，兼顾冷却及润滑功能。进给轴快移时，丝杠高速旋转，因此循环油腔的密封性能很关键。
以轴承座固定端为例，使用的密封分3种，分别为静态密封、旋转密封及防尘圈。其中端盖处的静态o形圈，无相对位移，可正常选型防尘圈不承受介质压力，也可正常选型，但旋转密封既承受一定油压，又有相对高速旋转，需特殊选型。
●—≺结语≻—●
分析了精密数控车床进给轴热伸长的方向及变化量，对通过丝杠预拉伸及数控系统中的温度补偿功能来改善热误差这两种方法进行了测试和局限性分析。
结合这两种方法实际应用结果，提出采用中空油冷循环结构进行热误差改善。车床进给系统中，发热量最大的部分就是丝杠轴承高速旋转产生的热量和丝母与丝杠滚动摩擦产生的热量。
通过对车床X轴发热量的计算和仿真热分析，确定了正常工况下丝杠的热量分布及状态，并据此设计了中空油冷循环的进给轴结构。
针对丝杠轴承的发热，在轴承室内设计了循环油腔，既给轴承油润滑又通过循环将轴承产生的热量带走;针对丝母与丝杠产生的摩擦热，采用中空丝杠结构，利用丝杆内部循环的冷却油快速将热量带走，从而实现进给系统的温度稳定。
通过实验进行验证，持续加工时X轴精度变化量小于2 um，对比原有结构4 um的变化量，消除了50%的X轴热误差。
采用此种结构的精密数控车床，在轴承、机器人减速器、新能源汽车等需求批量加工高稳定性的行业得到了广泛的应用，客户对于产品的实际加工效果给予了高度的肯定。此方法也可为其他类型的机床进给轴热误差的改善提供参考。
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