高精密外圓磨床熱變形的修整補償分析

康滿倉 姚 權

(陜西秦川格蘭德機床有限公司 陜西寶雞721300)

制造業(yè)是國民經(jīng)濟的根本，經(jīng)濟的高速發(fā)展離不開制造業(yè)支撐。談到制造業(yè)就離不開兩個話題“質量”和“成本”。近幾年隨著市場的不斷發(fā)展用戶對高精度數(shù)控外圓磨床的精度和穩(wěn)定性的要求越來越高，同時對價格又不斷的對比和壓縮。而如何在市場競爭中取得“價格”和“質量”的雙優(yōu)勢成為各廠家存活和致勝的關鍵。就此對技術人員提出了新的挑戰(zhàn)。

眾所周知，物體具有熱脹冷縮現(xiàn)象，金屬材料也不例外，雖然變化很小，但是實際上不容忽視，例如截面積為一平方厘米長一米的鋼棒，當溫度升高40℃時，伸長量為0.5 mm。曾經(jīng)在MKS8312機床上做過實驗：當冷態(tài)和熱穩(wěn)定態(tài)時候后床身的彎曲變化為0.008 mm。機床“冷態(tài)”和“熱穩(wěn)定態(tài)”引起的坐標變化在修整時影響大且很難消除，主要影響：(1)影響工件的表面質量；(2)熱變形嚴重時造成金剛筆的損壞。調查表明，熱變形已成為影響機床加工精度的首要因素，占機床總誤差的40%-70%[1]，因此改善和控制熱變形有意義很大。

1 熱變形的常規(guī)處理措施

當前，減小數(shù)控機床熱誤差方法主要包括兩種：第一誤差防止法，第二誤差補償法[2]。實際生產(chǎn)中有以下方法：(1)采用人造花崗巖床身，其熱脹系數(shù)為2×10-5（是金屬的1/20），曾在MGF32機床上采用人造花崗巖作床身，其熱穩(wěn)定性好，精度穩(wěn)定。但其價格昂貴，且加工困難，工藝性差；(2)加強冷卻，對冷卻空調實施相對溫度測控，確保環(huán)境溫度和實時水溫相差為恒定。在調試 MKS8312時，曾做過相關實驗，將水溫控制方式改為恒溫同調，改后效果略有改善，但其不可量化。（3）機床冷態(tài)修整時依靠工人的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行坐標補償。此方法對工人素質要求較嚴，而且氣候的變化，廠房內的環(huán)境變化等都會影響經(jīng)驗數(shù)值，此方法差異性較大而且精確度較差。（4）等待機床穩(wěn)定后修整磨削，不同季節(jié)車間測算數(shù)控磨床由“冷態(tài)”到“熱穩(wěn)定態(tài)”需要 2小時左右，在此期間造成很大損失與浪費。（5）較為高端的機床配置實時溫度測量補償系統(tǒng)進行補償，但該系統(tǒng)的應用大大增加了機床的成本和價格。

就此，從經(jīng)濟和穩(wěn)定性出發(fā)筆者提出一種新的解決方法，利用磨床用“端面定位器”進行坐標差計算并補償，此方法既經(jīng)濟又穩(wěn)定。

以下來分析驗證此方法的可行性包含理論分析、建立數(shù)學模型、實例說明并驗證。

2 建立三維模型及熱變形進行理論分析

2.1 機床熱變形分析

熱源分為內部和外部，其發(fā)熱量和環(huán)境溫度隨著加工條件及時間而變化，而機床有自身的熱容量，導致溫升有時間滯后性，所以機床的熱變形是非定?，F(xiàn)象。由于其熱變化的復雜性，現(xiàn)僅對主要影響因素進行分析。

內部熱源會產(chǎn)生一定的發(fā)熱量，并通過零部件之間的傳導，床身會出現(xiàn)散熱不均勻。數(shù)控外圓磨床為T形床身，在Z軸熱變化方向對修整影響很小，原因為兩點：首先，前床身平V軌為熱對稱結構如圖 1，熱剛較好，筋板布局均勻散熱均勻。其次修整時絲杠處軸承為固定端，所以前床身的變化很小。熱變形主要在前后床身結合處，原因為：(1)前后處的筋板厚度和布局不同散熱條件不同；(2)主要熱源砂輪架電機等集中在后床身；(3)大量的冷卻液集中在后床身處。

圖1 工作臺熱對稱結構

3 三維建模后熱分析

利用UG進行床身三維模型的建立，通過有限元軟件ANSYS分析其熱變形，確認其熱變化特點。因為模型十分復雜，所以在建模過程中需要對模型進行簡化，使簡化后模型既便于開展又不影響分析結果[3]。機床的熱變形是非定?，F(xiàn)象，隨時間、工況、和環(huán)境的變化而變化，其受約條件較多。而數(shù)控磨床主要的因素為冷卻液對床身的熱變形影響，且變化主要集中在后床身，以此來進行有限元熱分析。

分析條件為：水溫20℃，材料為灰鑄鐵，環(huán)境溫度為10℃。圖2為溫度分布圖，圖3為熱平衡過程中變形量的變化圖。

圖2 冷卻液影響下的溫度分布圖

圖3 熱變形位移量（平衡溫度28min）

線條依次往下：上面第一條線為總位移，第二條線為X軸位移量，第三條為Y軸的位移量，第四條為Z軸的位移量。平衡時間約28min。此時可以得出后床身冷態(tài)和熱平衡后的變化量為 0.035mm。這就造成修整坐標的偏移。

4 端面定位器進行坐標補償?shù)哪Ｐ秃喕c數(shù)學模型

4.1 端面定位器的常規(guī)應用

端面定位器在高精度數(shù)控外圓磨床的應用成熟且很廣泛，它僅給數(shù)控系統(tǒng)提供一個模擬量，用于確認當前工作臺（Z軸）的位置坐標。實際磨削過程中其主要作用為：消除工件頂尖孔深度尺寸的不同而造成磨削廢品。其自身的單向重復定位精度0.001mm，穩(wěn)定性好。

4.2 端面定位器坐標補償數(shù)學模型簡化與計算

如圖4所示工作臺運動為Z軸，砂輪架運動為X軸。1為砂輪架，2為端面定位器，3為修整定位固定板，其角度為45°。

定位過程為：Z軸運動以F300的速度觸碰端面定位器2，當修整定位板3觸碰到修整器測頭時，此時數(shù)控系統(tǒng)接受模擬信號，Z軸停止運動，端面定位器收回，數(shù)控系統(tǒng)此時可記錄當前Z軸的坐標值。由于X軸的變化，導致Z軸定位誤差，數(shù)控系統(tǒng)進行對比ΔZ并進行計算，就可間接得出ΔX的變化值。計算如下。

數(shù)學計算模型如圖5所示，機床是一個質量分布連續(xù)的彈性體，具有無限多個自由度。但是，在動態(tài)分析中可以根據(jù)機床的具體結構，將整機離散成若干集中質量，簡化成為一個具有有限個自由度的多自由振動系統(tǒng)，然后采用適當?shù)姆椒ㄟM行分析計算[4]。

計算如下所示：ΔZ為Z軸差值； ΔX為X軸差值；

ΔX=X穩(wěn)態(tài)坐標值-X冷態(tài)坐標值

ΔZ=Z穩(wěn)態(tài)坐標值-Z冷態(tài)坐標值

ΔX=tan45°× ΔZ

圖4 運動簡圖

圖5 修整坐標誤差數(shù)學模型

4 生產(chǎn)實例效果驗證

為進一步確認該方案的實際效果，進行了現(xiàn)場實驗如圖6所示。

圖6 Z軸坐標對比

實驗過程分兩步，第一步記錄標準值。機床運轉3小時后在熱穩(wěn)定態(tài)下，如圖6所示，用修整定位固定板觸碰端面定位器，進行Z軸坐標定位及記錄，系統(tǒng)將其設定為標準值。

第二步，補償坐標后進行砂輪修整。實際中早上一開機溫度變化最大，坐標偏移最大。由于X軸坐標變化，導致工作臺Z軸定位時出現(xiàn)ΔZ誤差，見圖6。根據(jù)ΔZ誤差，系統(tǒng)自動補償X軸。數(shù)控系統(tǒng)每次在修整前進行坐標測量并補償。補償完后進行砂輪修整觀察。連續(xù)以上實驗。

經(jīng)過理論分析和連續(xù)實驗，此方法避免了修整誤差，每次都可正常修整。最終得出，利用端面定位器間接補償X軸坐標，可以避免修整誤差，提高機床的可靠性。

5 結語

機床熱變形的變量因素多，變化復雜。本文以主要變化因素為前提，提出了利用端面定位器進行X軸的補償。從理論分析、三維建模、熱變形分析，數(shù)學模型建立，實際驗證，證明了此方法的簡便性和可行性。在不增加機床成本的前提下，解決了砂輪修整誤差導致的工件廢品，金剛筆損壞等現(xiàn)象，提高了機床的可靠性和穩(wěn)定性。