機(jī)床結(jié)構(gòu)的熱平衡與優(yōu)化設(shè)計技術(shù) - 加工中心
日本東京大學(xué)的佐田登志夫等把機(jī)床熱變形看作是由于溫度變化而引起的機(jī)床結(jié)構(gòu)剛度不足，提出了“熱剛度”的概念，并將機(jī)床的靜剛度、動剛度和熱剛度這3個方面的問題統(tǒng)一起來研究。機(jī)床的熱剛度是機(jī)床達(dá)到熱平衡時的溫升與熱變形值之比，表示機(jī)床抵抗熱變形的能力，是表征機(jī)床熱特性的特征量。由于不同零件的熱剛度對整機(jī)熱剛度的影響不同，四川大學(xué)的陽紅等在此基礎(chǔ)上提出了機(jī)床重點熱剛度的概念，并提出了一種基于熱誤差神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型的機(jī)床重點熱剛度辨識方法，為合理分配機(jī)床熱剛度并為機(jī)床零部件的熱剛度組成整機(jī)的熱剛度。熱剛度概念的提出統(tǒng)一了傳統(tǒng)力學(xué)的剛度概念，對于形成統(tǒng)一設(shè)計理念與方法具有重要的指導(dǎo)意義。依據(jù)熱剛度理念，機(jī)床結(jié)構(gòu)熱平衡設(shè)計的主要內(nèi)容是以結(jié)構(gòu)尺寸為設(shè)計變量，以彎曲、扭轉(zhuǎn)等熱變形的位移量為目標(biāo)函數(shù)，以提高部件和機(jī)床整體的熱剛度為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。機(jī)床在熱設(shè)計時需要根據(jù)機(jī)床的熱特性從機(jī)床的主要熱變形部分入手，即注重關(guān)鍵發(fā)熱區(qū)域和熱敏感部位，常見的如主軸的熱膨脹、主軸箱的熱變形、滾珠絲杠的熱伸長以及立柱的熱傾斜等，通過對這些關(guān)鍵部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)熱平衡設(shè)計，進(jìn)而把握機(jī)床整體的熱變形，再進(jìn)行整體優(yōu)化、均衡結(jié)構(gòu)和對稱結(jié)構(gòu)設(shè)計。日本大隈（OKUMA）公司基于其20年來對熱變形處理的研究經(jīng)驗，提出了“熱親和”的概念?！盁嵊H和”是指與熱友好共處的構(gòu)思。此前的機(jī)床采取的措施主要針對如何減少熱的產(chǎn)生量或如何冷卻。“熱親和”的構(gòu)思是在盡量減少熱量產(chǎn)生的同時接受熱，合理利用熱。雖然熱測復(fù)雜的熱變形很困難，但是通過“熱變形單純化”與“溫度分布均勻化”的機(jī)床構(gòu)造，進(jìn)行可預(yù)測的規(guī)則熱位移，并正確地進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)平衡補(bǔ)償控制，即使沒有恒溫室等大型的設(shè)備，也可以形成穩(wěn)定的熱結(jié)構(gòu)，并維持高精度?！盁嵊H和”思想是合理利用熱。實現(xiàn)規(guī)則的可控?zé)嶙冃?，它可以使機(jī)床在溫度變化時保持相同的熱平衡結(jié)構(gòu)，將熱變形抑制在最小程度。一般常用的結(jié)構(gòu)是以加工點為中心的“熱對稱結(jié)構(gòu)”，使構(gòu)成要素形狀簡化的“箱式組合結(jié)構(gòu)”，以及通過護(hù)蓋與附屬單元合理布局使溫度分布均勻化的“熱均衡結(jié)構(gòu)”。如主軸采用簡單熱變形結(jié)構(gòu)，應(yīng)用正確地?zé)嵛灰蒲a(bǔ)償方式，使主軸能在長時間運轉(zhuǎn)中保持熱變形在4μm以內(nèi)。采用合理的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)，無論是切削加工、電機(jī)驅(qū)動及構(gòu)件運動導(dǎo)致的機(jī)床溫度變化，還是切削液、車間環(huán)境等引起與位移量進(jìn)行伸縮，這樣就為合理的熱控奠定了基礎(chǔ)。吉田嘉太郎在1973年提出了“熱中性軸”的概念，他認(rèn)為主軸熱位移會因主軸箱內(nèi)熱源和支撐方式的改變而不同，因此應(yīng)該設(shè)法尋求在機(jī)床熱變形狀態(tài)下，保持主軸位置不變，從而提高機(jī)床的熱精度。后來他將這一概念進(jìn)一步發(fā)展為“熱對稱面’的概念，把最影響加工精度的零件配置在熱對稱面上，大大改善熱變形所引起的加工精度不良的狀況，利用該理論設(shè)計的雙立柱夾箱式結(jié)構(gòu)就是一個典型的熱對稱結(jié)構(gòu)，可避免一般單立柱機(jī)床經(jīng)常出現(xiàn)的主軸熱傾斜現(xiàn)象，瑞士在機(jī)床設(shè)計中也十分重視熱源對機(jī)床的影響，主張熱源對稱分布。如果一臺機(jī)床僅在一側(cè)設(shè)置油箱或電機(jī)，由于受熱，易使機(jī)床傾斜；若在機(jī)床兩邊對稱配置電機(jī)，使其兩邊受熱條件均勻，就不會產(chǎn)生左右傾斜。作為機(jī)床主要基礎(chǔ)件，立柱、床身、主軸箱的力學(xué)特性和熱學(xué)特性對機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性有較大的影響。在這方面的研究表明，主軸箱變形量的不對稱性會導(dǎo)致主軸軸線的偏移或產(chǎn)生偏角；增加局部厚度，改變筋板布置形式可在減輕床身重量的同時改善床身的結(jié)構(gòu)變形。合理選擇立柱結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)可提高其熱剛度，對基礎(chǔ)件的熱對稱設(shè)計（結(jié)構(gòu)對稱設(shè)計和熱源分布對稱設(shè)計）是減小有害熱變形的有效措施。另外、熱容量平衡設(shè)計也是改善熱變形有效的方法。它是根據(jù)機(jī)床各部件熱容量的不同，對局部熱容量大的部件采取一定的措施來控制和減少其溫升，使它與熱容量較小的部分不致產(chǎn)生較大的溫差，盡量達(dá)到它們之間的熱平衡，從而使機(jī)床整體的熱變形減少。合理地設(shè)計機(jī)床散熱板有利于平衡部件之間的溫度場。此外，機(jī)床熱結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)還包括反變形技術(shù)，另外，使用花崗巖、陶瓷、混泥土、玻璃鋼等新材料也可以減少熱變形。用反變形來抵消熱變形的不良影響是一種簡單易行的有效方法。呼和浩特第三機(jī)床廠以某平面磨床為例，在加工時主動對機(jī)床導(dǎo)軌采用中凸結(jié)構(gòu)，很好地提高了磨床加工精度的穩(wěn)定性。機(jī)床熱設(shè)計的另外一種重要方法就是設(shè)計高效的冷卻系統(tǒng)，通過控制機(jī)床的溫度變化來提高機(jī)床的精度。