车床的热误差产生及补偿方法

曹振波+潘明臣+王玉晶

摘 要 机床在运作的过程中所产生的热误差是对加工精度造成影响的重要原因之一。因此，在车床的运作过程中，对其热误差进行科学分析，并应用相应的方法和技术来进行热误差补偿，从而实现最大限度的降低热误差，促进机床加工精度的提高。

关键词 数控机床；热误差补偿；补偿方法

中图分类号：TG519.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）10-0140-01

在经济发展的推动下，机械制造技术也进入了一个崭新的发展阶段，制造技术朝着高质量、高效率、高智能方向不断发展[1]。在现代机械制造中，各种精密及超精密加工技术已经成为其主要发展趋势和重要组成部分，且已经成为机械制造也提高市场竞争，增强经济效益的关键环节。随着现代机械制造发展进程的加快，车床热误差补偿方法及技术的应用也越来越广泛和娴熟。本文就车床热误差产生的原因进行分析，旨在探讨相应的热误差补偿方法及技术，提高车床加工精度。

1 机床在运作过程中产生热误差的主要影响因素

数控机床在运作的工程中产生热误差的情况具有较大的复杂性，其具有非线性、长时滞、多变量等诸多热点。因此，热误差产生的影响因素也同样具有复杂性和多样性。具体因素主要表现在以下几个方面：①热源产生的影响。在数控机床的运作过程中，热源主要来源于内部和外部。影响机床热误差的热源就主要为内部和外部热源，该种两中热源的共同作用可导致机床在运作过程中产生不同程度的热误差，进而影响到加工精度。经过研究发现，该两种热源对机床热误差产生的影响也各不相同，内部热源的影响程度比外部热能要大。内部热源主要存在于机床运作的各个过程和发热部件。运作过程切削加工、摩擦运动等，发热部件主要包括润滑油、电动机等；②机床构造的影响。机床的热刚度、热容量等均受其具体构造的影响。不同构造的机床均有不同的散热性能，从而对热误差的藕合及时滞产生不同的影响，大大增加了热误差的多变性和复杂性；③机床部件及连接件的影响。数控机床中存在各式各样的多种部件，而各种部件又均由不同的材料组成，且具有其各自的形状和结构，因此，各个部件也具有其各自的热惯性和热容量。同时在各部件的连接件中又存在相应的结合面，这些结合面均存在一定的热阻作用。这些热阻作用的存在导致机床在运作过程中产生热误差。

2 降低热误差方法分析

在实际操作中应用较为普遍的降低机床热误差方法主要误差避免法、误差补偿法两种。

1）误差避免法。误差避免法又可称为误差防止技术，具体指的是通过应用相关技术对热源进行控制，对机床的结构进行合理地调节来实现对机床热误差进行控制[2]。该种方法为实际操作中应用较为广泛的一种降低机床热误差的硬技术。其通常采用如下措施来完成对机床热误差的控制。①通过对机床运作过程中所产生的热源进行具体、全面地分析，采取相应的措施对逐一对影响机床热误差的相关发热量及热源进行控制；②在数控机床的运作过程中适当地将冷却系统功率增加到一定程度，并采取相应措施作用机床润滑工作，保证机床在运作过程中具有良好的润滑性，最大限度地将摩擦降低；③在机床的设计及应用过程中，对相关热源进行充分考虑和分析，不断改进和优化机床结构；④在实际生产过程中，进行辅助热源设置以均衡机床温度场；⑤将车间温度控制在合理的范围内，从而实现对机床运作环境温度进行有效控制。误差避免法可有效降低机床的热误差，促进机床加工精度的提高，但该种方法也存在一定缺陷。其具体缺陷主要表现在以下几点：①该种方法在某种情况下的应用会导致生产成本增加；②当工件的加工精度已经达到一定标准后，应用误差避免法来实现精度的提高具有较大的难度，可行性不高，同时也会造成生产成本提高，不利于企业的长远发展。

2）误差补偿法。误差补偿法又可称为误差补偿技术，其是数控机床运作过程中应用较为普遍的一种软技术，主要是通过对影响加工精度的各种误差来源进行全面分析，然后根据分析结果建立相应热误差数学模型，通过误差数学模型计算出具体的热误差预测值。然后再根据相关数值对数控机床的相应运作系统进行改进和优化，通过人为方式将新型误差制造出来，应用该种误差来抵消存在于机床中的原始热误差。该种方法在应用过程中未涉及硬件改造即可提高工件的精度。误差补偿技术在各种新型机床中均具有较大实用性，且可有效提高机床运作的技术含量，其尤其适用于技术要求高的精细化机床，有效提高机床的精密的使用功能，提高工件加工效率和质量。资金投入少，提高加工精度效果好是误差补偿技术在实际应用过程中表现出来的最主要特点。误差补偿法的应用优点主要表现在以下几个方面：①该种方法是通过人为地制造出现相应的误差将机床运作中原本存在的误差进行抵消，成本应用少，且可有效提高机床加工精度；②在工件加工已经达到相应标准的情况下应用热误差补偿技术，可有效将制造成本降低，提高经济效益。

3 热误差补偿相关技术分析

通常情况下，热变形误差补偿技术主要应用于工件加过完成后的补偿，主要应用相应的检测方式对机床运作过程中产生的热误差进行间接或直接的测量。然后根据相应的误差补偿模型对误差补偿进行计算，并及时向数控系统反馈计算结果，使控制器能够及时作出相应的指令来完成热误差补偿。

在实际应用过程中，每个热误差补偿方法均需要应用相应的机床热误差数学模型来实现对机床热变形误差进行相应的计算，进而实现对机床的主轴运动作出相应的修改，促进工件加工精度的有效提高[3]。应用热误差补偿相关技术的最大优点在于通过对有热变形误差数控机床的应用，进行高精度产品加工，有效减低了生产成本，提高生产质量。目前，机床热误差补偿技术和方法的应用领域越来越广泛，其研究的程度也在不断加深，因此，该种技术及方法将会得到不断的改进和完善，其发挥的作用将越来越大，

4 结束语

随着经济和社会的飞速发展，制造业的发展规模不断扩大，发展速度不断加快，对工件加工精度的要求也日益提高。因此，在机床加工过程中需不断研发和提高机床热误差补偿技术，最大限度地对机床热误差进行控制，提高机床加工质量，提高制造业的市场竞争力，增加我国制造业经济效益。

参考文献

[1]杨建国，薛秉源.CNC车削中心热误差模态分析及鲁棒建模[J].中国机械工程，2011，12（7）：485-486.

[2]傅建中，陈子辰.精密机械热动态误差模糊神经网络建模研究 [J].浙江大学学报（工学版），2013，9（1）：34-35.

[3]李书和，杨世明，张奕群，等.机床热变形误差实时补偿技术[J].天津大学学报，2012，7（3）：42-43.endprint