高精密外（wài）圓磨床熱變形（xíng）的修整補償分析-鏜床網-數（shù）控機床市場網

您現在的位置：鏜床網> 加工與維修（xiū）>高精密（mì）外圓（yuán）磨床熱變形的修整（zhěng）補償分（fèn）析

高精密外圓（yuán）磨床熱變形的修整補償分析

2021-9-24 來（lái）源：陝西秦川格蘭德機床有限公司作者：康（kāng）滿倉姚權

摘要: 高精度外圓磨床的工作精度可以依靠在（zài）線測量儀（yí）控製尺寸精度，但在修（xiū）整（zhěng）過（guò）程（chéng）中由於熱變（biàn）形引起機床坐標的變形，容易造成磨削廢（fèi）品，嚴重時可造成金剛筆撞擊損壞，因此需要對修正量進行補償，國內有許多（duō）同仁及科研（yán）院所總結了很多關於（yú）熱變的文章，提出（chū）了許多寶貴經驗。基於高精度（dù）數控外圓磨床熱變形進行（háng）理論分析，三維建模（mó），依（yī）仿真模擬為指（zhǐ）導，提出了一種利用端（duān）麵（miàn）定位器進行補償的方法，從成本、可靠性及可（kě）操（cāo）作性出發進行分析驗（yàn）證（zhèng）以供參考。

關鍵詞（cí） :砂輪修整熱變形有限元（yuán）坐標補償（cháng）外圓磨床端麵定位器（qì）

製造業是國民經濟（jì）的根本，經濟的高速發（fā）展離不（bú）開製（zhì）造業支撐。談到製造業就離（lí）不開兩個話題“質量”和“成本”。近幾年隨著市場的不斷發展用戶對高精度數控（kòng）外圓（yuán）磨床的（de）精（jīng）度和穩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（zài）市場（chǎng）競爭中取得“價格”和（hé）“質量（liàng）”的（de）雙優勢（shì）成為（wéi）各廠家存活和致勝的關鍵（jiàn）。就此對技術人（rén）員提（tí）出了新的挑（tiāo）戰。

眾所周知，物體具有熱（rè）脹冷縮現象，金屬材（cái）料也不例外，雖然變化很小，但是實際上不容忽視，例如（rú）截麵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。曾經在（zài） MKS8312 機床上做過實驗（yàn）：當冷（lěng）態和熱穩定態時候後床身（shēn）的彎曲變化為 0.008 mm。機床“冷態”和“熱穩（wěn）定態”引起（qǐ）的（de）坐標變化在修整時影響大且很難消除，主要影響：(1)影響工件的表麵質（zhì）量；(2)熱（rè）變形嚴重時造成（chéng）金剛筆（bǐ）的損壞。調查（chá）表明，熱變形已成為影（yǐng）響機床加工精度的首要因素，占機床總誤差的（de）40%-70%[1]，因此改善和控製熱變形有意義很（hěn）大。

1、熱變形的常規（guī）處理措施

當前（qián），減（jiǎn）小數控機床熱誤差方法主要包括兩種：第一（yī）誤差防止法，第二誤差補償法[2]。實際（jì）生產中有以（yǐ）下方法：(1)采用人造花崗岩床身，其熱脹係（xì）數為 2×10 -5（是金屬的 1/20），曾在 MGF32 機床上采用人造花崗岩作床身，其熱穩定性好，精度穩定。

但（dàn）其價格昂（áng）貴，且加工困難（nán），工（gōng）藝性差；(2)加強冷卻，對冷卻空調實施相對溫度測控，確保環境溫度和實時水溫相差為恒定。在調（diào）試 MKS8312 時，曾做過（guò）相關實（shí）驗，將水溫控（kòng）製方式改為恒溫同調，改後（hòu）效果略有改善，但其不（bú）可量化。（3）機床冷態修整時依靠工（gōng）人的經（jīng）驗（yàn）數據（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（de）環境變化等都會影響經驗數值，此方法差異性較大而且精確度較差。（4）等待機床穩定後修整磨（mó）削，不同季節車（chē）間測算數控磨床由“冷態”到“熱穩定態”需要 2 小（xiǎo）時左右，在此期間造成很大（dà）損失與浪費。（5）較為高端的機床配置實時溫度（dù）測量補償係統進（jìn）行（háng）補（bǔ）償，但該（gāi）係統的應（yīng）用大（dà）大增加了機床（chuáng）的（de）成本和價格。

就此，從經濟和穩定性出發筆者提出一種新的解決方法，利用磨床用“端麵定位器”進行坐標差計算並補償，此方法既經（jīng）濟又穩定。以（yǐ）下來（lái）分析驗證此方法的（de）可行性包含理論分析、建立數（shù）學（xué）模型、實例說（shuō）明並驗證。

2、建立三維模型及熱變形（xíng）進行理論（lùn）分析

2.1 機床熱變形分析

熱源分為內部和（hé）外部，其發熱量和環境溫度隨著加（jiā）工條件及時間而變化（huà），而機床有自（zì）身的熱容量，導致溫升有時間滯後性，所以機床（chuáng）的熱變形是非定常現象。由於其熱變化的複雜（zá）性（xìng），現（xiàn）僅對主要影響因素（sù）進（jìn）行分（fèn）析。

內部熱源會產生一定的發熱量，並通過零部件（jiàn）之間的傳導，床身會（huì）出（chū）現散熱不均勻。數控外圓磨床為T形床身，在Z軸熱變化方向對修整（zhěng）影響很小，原因（yīn）為兩點：首先，前床身平 V 軌為熱（rè）對稱結構如圖 1，熱剛較好，筋板（bǎn）布局均勻散熱均（jun1）勻。其（qí）次修整時絲杠處軸承為（wéi）固定端，所以前床（chuáng）身的變化很小。熱變形主要在前後床身結合處，原因（yīn）為：(1)前後處的（de）筋板厚度和布（bù）局不同散熱條件不同（tóng）；(2)主要熱源砂輪架電機等集中在後床身（shēn）；(3)大量的冷卻液（yè）集中在後床身處。

圖 1 工（gōng）作台（tái）熱對稱結構

3、三維建模後熱分析

利（lì）用UG進行床（chuáng）身三維模型（xíng）的建立，通過有限元軟件 ANSYS 分析其（qí）熱變形，確認其熱變化特點。因為模型十分複雜，所以在（zài）建模過程中需要對模型進行簡化，使簡化後模型既便於開展又不影響分析結（jié）果（guǒ）。機床的熱變形是非定常現象，隨時間、工（gōng）況、和環境的（de）變化而變化，其受（shòu）約條件較多。而數控磨床主要的因素為冷卻（què）液對床身的（de）熱變形影響，且（qiě）變化主要集中在後床身，以此來進行有限（xiàn）元熱分析。

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

圖 2 冷卻液影（yǐng）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：上麵第一條線（xiàn）為總位移，第二條線為 X 軸位移量，第三條為 Y 軸的（de）位移量，第四條為 Z 軸的位移量（liàng）。平衡（héng）時間約 28min。此時可（kě）以（yǐ）得出後床（chuáng）身冷態和（hé）熱平衡後的變化量為 0.035mm。這就造成修整（zhěng）坐標的偏移。

4 、端麵定位器進行坐標補償的模（mó）型簡化（huà）與數學模（mó）型

4.1 端麵定（dìng）位器的（de）常規應用

端麵定位器在高精度數（shù）控（kòng）外圓磨床的應用成熟且很廣泛，它僅給數控係統提供一個模擬量，用（yòng）於確認當前工作台（Z 軸）的位置（zhì）坐標。實際磨削過程中（zhōng）其主要作用為：消除工件頂尖孔（kǒng）深度尺寸的不同而造成磨削廢品。其自身的單向重複（fù）定位（wèi）精度0.001mm，穩定（dìng）性好。

4.2 端麵定（dìng）位器坐標補償數學模型簡（jiǎn）化與計算

如圖 4 所示（shì）工作（zuò）台運動為 Z 軸，砂輪（lún）架運動為X 軸。1 為砂輪架，2 為端麵定位器，3 為修整定（dìng）位固定（dìng）板，其角度為（wéi） 45°。

定位（wèi）過程為：Z 軸運動以 F300 的速度（dù）觸碰端（duān）麵定位器 2，當修整定位板 3 觸碰到修整器測頭時，此時數控係統接受模擬（nǐ）信號（hào），Z 軸停止運動，端麵定位（wèi）器收回，數控係統此時可記錄當前 Z 軸的坐標值。由於 X 軸的變化，導致 Z 軸（zhóu）定位誤差，數控係統進行對比三角Z並進行計算，就（jiù）可間接得出三角X的變（biàn）化值（zhí）。計（jì）算如下。

數學（xué）計算模型如圖 5 所示，機床是一個質量分布連續的彈性體，具有無限多個自由度。但是，在動（dòng）態分析中可以根據機床（chuáng）的具體結構，將整機離散成若幹集中質量，簡化（huà）成為一（yī）個具有有限個自由度的多自由振動（dòng）係統，然後（hòu）采用（yòng）適當的方法進行分析計算。

計算如（rú）下所示三角Z為Z軸差值；三角X為X軸（zhóu）差值（zhí）；

圖 4 運動簡圖（tú）

圖 5 修整坐標（biāo）誤差數（shù）學模型

4、生產實例效果驗證

為（wéi）進（jìn）一步確認該方案的實際效果，進行了現場實驗如圖 6 所示。

圖 6 Z 軸坐標對比

實（shí）驗（yàn）過程（chéng）分兩步，第一步記錄標準值。機床（chuáng）運轉 3 小時後在熱穩定態下，如圖 6 所示，用修整（zhěng）定位固定板觸碰端麵定位器，進行Z軸坐標定位及（jí）記錄，係統將其設定為標準值。

第二步，補償坐標後進行砂輪修整。實際中（zhōng）早上一開機溫度變化最大，坐標偏移最（zuì）大。由於 X 軸坐標變（biàn）化，導致工作台Z 軸定位時出（chū）現三角Z誤差（chà），見圖 6。根據（jù）三角Z誤（wù）差，係統自動補償 X 軸。數控係統每次在修整前進行坐標測（cè）量並補償。補償（cháng）完後進行（háng）砂輪（lún）修整觀察。連續以上實驗。

經過理論分析和連（lián）續實驗，此方法（fǎ）避免了修整（zhěng）誤差，每次都可正（zhèng）常修整。最終得出，利用端麵定位器間接補償 X 軸（zhóu）坐標，可以避免修整誤差，提高機床（chuáng）的可靠性。

5、結語

機床熱變形的變量因素多，變化複雜。本文以主要變化因素為前提，提出（chū）了利用端麵定位器進（jìn）行X 軸的補償。從理論（lùn）分析（xī）、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（biàn）性和可行性。在不增加機（jī）床成本（běn）的（de）前提下，解決了砂輪修整誤差導致的工件廢品，金（jīn）剛筆損壞等現象，提高了機床的可靠性和穩定性。

投稿箱：
如果您有機床行業、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網（wǎng）編輯部，郵箱：skjcsc@vip.sina.com

更多相關信息

名企推薦

業界視點

| 更多

行業數據

| 更多

博文選萃

| 更多（duō）