数控机床热误差的产生根源分析及减小热误差的方法研究

王　谦

(宿州职业技术学院，安徽　宿州　234000)

随着现代机械制造技术的快速发展，人们对数控机床的性能要求越来越高，数控机床正向着高精度、高速度、高可靠性以及智能化、数字化、绿色环保等方向发展。然而制约数控加工精度提高的因素还有很多，其中最主要的因素便是热变形误差。大量研究表明，精密数控加工最大的误差源是热变形误差，占总误差的40%-70%左右，特别是近年来数控机床上高速加工的推广和使用，随着主轴转速和进给速度的成倍提高，数控机床的热变形误差也随之增大。因此，减小热变形误差是使机床加工精度获得提升的重要手段和关键技术。

一、数控机床热误差的产生根源分析

机床热误差是指在加工过程中由温度变化所导致的热变形误差，而温度变化主要是由电动机运转、传动机构之间的摩擦以及加工所处环境温度等热源引起的。机床内部温度场的分布变化和环境温度的变化是造成机床产生热误差的主要原因，而造成温度变化的根源则在于机床的热源。机床的热源分为外部热源和内部热源，机床的热误差受外部热源和内部热源的共同影响。外部热源主要是环境温度，内部热源主要有驱动电机、轴承、传动件、液压系统、切削热和冷却液等。研究表明，主轴、导轨等重要部件产生的热对机床热误差的影响占的比率最大。

研究表明，数控机床热变形误差主要受以下因素的影响：

(一)外部热源和内部热源会对热变形误差产生交互影响

内部热源主要有：电机运转、机构摩擦、切削热、冷却液等，外部热源主要是环境温度。在内外热源的影响中，内部热源的影响较大，外部热源的影响较小，但是热误差受到外部热源的影响不能略去。为了实现超精密加工，在精密机床上通常会采取隔热措施，以隔绝外部热源对机床的影响。内部热源和外部热源会共同影响到机床的热误差。

(二)热传导对热变形误差产生的影响

机床的热传导的形式较复杂，这是由于机床结构、零部件材料及环境等因素的影响，使得机床各零部件的热容量和热惯性都不同，导致在机床温度的测量上表现出一定的时滞性。

(三)机床结构对热变形误差的影响

对于机床来讲，机床机构对热误差的影响较大。优化机床结构设计能使热误差从结构上得到抑制。因此精密数控机床通常都会进行优化结构设计。

二、减小热变形误差的方法

目前，对热变形进行控制和对热误差进行补偿是减小热变形误差最行之有效的两种基本方法。

对热变形进行控制，一般是通过提高机床制造精度、优化机床结构设计或者控制温度来尽可能地消除热误差源。这种方法通常从两个方面入手：机床结构和材料改进和机床温升控制。机床结构和材料改进的常见措施有：机床采用对称结构设计，以使部件均匀受热；优化改进传动系统，降低传动齿轮、传动轴等的使用数量；减小摩擦发热，在有运动摩擦的零件的选用上选择摩擦系数低的。机床温升控制的常见措施有：采用低能耗的主轴电机、伺服电机等，以减少热量的产生；改善散热条件，对发热部件进行强制冷却，增加隔热措施；对切削区域使用高压、大流量的冷却系统等。虽然误差预防法对减小热误差起着十分积极的效果，但其存在着受现有加工能力的限制、会造成系统成本的大幅度上升、无法克服外界环境干扰等缺点，而且对热变形进行控制不能完全消除热误差，只能将热误差进行一定程度的降低，以上这些因素使得这种方法在应用上有很大的局限性。

热误差补偿法是通过对数控机床热误差的测量、分析、建模等过程总结出热误差的数学预测模型，根据检测到的温度值代入预测模型从而计算热误差补偿值，然后将补偿值实时地反馈到数控机床的伺服控制系统中，改变机床的实际坐标来减小机床热误差。热误差补偿主要依赖于检测技术、传感器技术、计算机辅助建模技术和计算机软件技术，随着技术的进步，这些技术为热误差补偿的实施提供了强有力的支持。热误差补偿法具有补偿精度高、开发成本低、适用性强等一系列优点，是减小热误差的未来主要方向之一。

三、结束语

现代制造业的飞速发展对数控机床加工精度的要求越来越高，而热误差是加工总误差的最大误差源，而且越是精密机床，热误差占加工总误差的比例越大。因此，对机床热误差的控制已经成为提高数控机床加工精度的一门关键技术。在减小机床热误差方面虽然经过国内外学者多年的努力已经取得了一定的成果，但是这项技术的提高仍然存在着较多困难，因此我们要在这方面加大投入与研究，这对于我国成为数控强国来说具有重要的实际意义和应用价值。