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高精密外圓磨床熱變形的（de）修整補償分析

2021-9-24 來源：陝西秦川格蘭德機（jī）床有限公司作者：康滿倉姚權

摘要: 高精度外圓磨床的工作精度可以依靠在線測量儀控製尺寸精度，但在修整過程中由於熱變形引起機床坐標的變形（xíng），容易造成磨削（xuē）廢品，嚴（yán）重時可造成（chéng）金剛筆撞擊損壞，因此需要對修正量進行補償，國內有（yǒu）許多同仁及科研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（jīng）度數控外圓磨（mó）床熱變形進行理論分析，三維建（jiàn）模，依仿真模擬為指導，提出了一種利用端麵定位器進行補償的方法，從成本、可靠性及可操作（zuò）性出發進行分析驗證（zhèng）以供參考。

關鍵詞 :砂（shā）輪修整（zhěng）熱變形有限元坐標補償外圓（yuán）磨床端麵定位器

製造業是國民經濟的根本，經濟的高（gāo）速發展離不開製造業支撐。談到製造業就離不開（kāi）兩個話題“質量”和（hé）“成本”。近幾年隨著市場的不斷發展用戶對高精度數控外圓磨床的精（jīng）度和穩定性的要求越來越高，同時對價格又不斷（duàn）的對比和壓縮。而如何（hé）在市場競爭中取得“價格（gé）”和“質量（liàng）”的雙優勢成（chéng）為各廠（chǎng）家存活和致勝的關鍵。就此對技術人員提（tí）出了新的挑戰。

眾所周知（zhī），物體具有熱（rè）脹冷縮現象，金屬材料也不例外，雖然變化（huà）很小，但（dàn）是實際上不容忽視，例如（rú）截麵（miàn）積為一平方（fāng）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 MKS8312 機床上做過實（shí）驗：當冷態和熱穩定（dìng）態時候後床身（shēn）的（de）彎曲變化為 0.008 mm。機床“冷態”和“熱穩定態”引（yǐn）起的坐標變化在修整（zhěng）時（shí）影（yǐng）響大且很難消除，主要（yào）影響：(1)影響（xiǎng）工件的表（biǎo）麵質量；(2)熱變形嚴重時造成金剛筆的損壞。調查（chá）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]，因此改善和控製熱變形有意義很大。

1、熱變形的常規處理措施

當前，減小數控機床熱誤（wù）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（jì）生產中有以下方法：(1)采用人造花崗岩床身，其熱脹係數為 2×10 -5（是金屬的 1/20），曾在 MGF32 機床上采用人造花崗岩作（zuò）床（chuáng）身，其熱穩定（dìng）性好（hǎo），精度穩定。

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（diào）實施相對溫度測控，確保環境溫（wēn）度和實時水溫相差為恒定。在調試 MKS8312 時，曾做過相關（guān）實驗，將水溫控製方式改（gǎi）為（wéi）恒溫同調，改後效果略有改善，但其不可量化。（3）機床冷態修整時依靠工人的經驗數（shù）據進行坐標補償。此（cǐ）方法對工人素質要求較嚴，而且氣候（hòu）的變化，廠房內的環境變化等都會影響經（jīng）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削，不同季節車間測算數控磨床由“冷態”到“熱穩定態”需要 2 小時左右，在此期間造成很大損失與浪費。（5）較為（wéi）高端的機床（chuáng）配置實時（shí）溫度測量補償係統進行補償（cháng），但（dàn）該係統的應用大大增加了機床的成本和價格。

就此，從經濟和穩定性（xìng）出發筆者提出一種新的解決方法，利用磨（mó）床用“端麵定位器”進行坐標（biāo）差計算並補償，此方法既經濟又穩定。以下來分（fèn）析驗證（zhèng）此方法的可行性包（bāo）含理論分析（xī）、建立數學模型、實例說明並驗證。

2、建立三維模型及熱變（biàn）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，其發熱（rè）量和環境溫度隨著加工條件及時間而變（biàn）化，而機床有自身的熱容量，導致溫（wēn）升有時間滯後性，所以機床（chuáng）的熱變形是非定常現象。由於（yú）其熱變化的複雜性，現僅對主要影（yǐng）響因素進行分析。

內部熱源會產生一定的發熱量，並通過零（líng）部（bù）件（jiàn）之間的傳導，床身會（huì）出現散熱不均勻（yún）。數控外圓磨床為T形床身，在Z軸熱變化方（fāng）向對修整影響很小，原因為（wéi）兩點：首先，前床身平（píng） V 軌為熱對稱結構如（rú）圖 1，熱剛較好，筋板布（bù）局均勻散熱均勻。其（qí）次修整（zhěng）時絲杠處軸承為（wéi）固定端，所以（yǐ）前床身（shēn）的變化很（hěn）小。熱（rè）變（biàn）形主要在前後床身（shēn）結（jié）合處，原因為：(1)前後（hòu）處的筋板（bǎn）厚度和布局（jú）不同散熱（rè）條件不同；(2)主要熱源砂輪架電機等集中在後（hòu）床身；(3)大（dà）量的冷卻液集中在後床（chuáng）身處。

圖 1 工作台熱對稱結構

3、三維建模後熱分析

利用UG進行床身三維模（mó）型的建立，通過（guò）有限元軟件 ANSYS 分析其熱（rè）變形，確認其熱變化（huà）特點。因為模型（xíng）十分複雜，所以在建模過程中需（xū）要對模型進行簡化，使（shǐ）簡化後模（mó）型既便於開展又不影響分析結果。機（jī）床的熱變形是非定常（cháng）現象，隨時間、工況、和環境的變化（huà）而變化（huà），其（qí）受約條件較多。而數（shù）控（kòng）磨床主要的因素為冷卻液對床身的（de）熱變形影響，且變化主要（yào）集中在後床身，以此來進行有限（xiàn）元熱分（fèn）析。

分（fèn）析條件為（wéi）：水溫 20℃，材料為（wéi）灰鑄鐵，環境溫度為 10℃。圖 2 為溫度分布圖，圖 3 為熱平衡過程中（zhōng）變形量的變化圖。

圖 2 冷卻液影響（xiǎng）下的溫度分布圖

圖 3 熱變形位移量（平衡溫度（dù） 28min）

線條（tiáo）依次往下：上麵第一條線為總（zǒng）位移，第二條線為 X 軸位移量，第三（sān）條為 Y 軸的位移量，第四條為 Z 軸的位移量（liàng）。平衡時間約 28min。此時可以得出後床身冷態和熱平衡後的變化量為 0.035mm。這就造成修整坐標的偏移（yí）。

4 、端麵定位器（qì）進行坐標補償的模型簡化與數學（xué）模型

4.1 端麵定位器的常規應用

端麵定位器（qì）在高精度數控外圓磨（mó）床（chuáng）的應用成熟且很廣泛，它僅給數控係統提供一個（gè）模擬量，用於確（què）認（rèn）當前工作台（Z 軸）的位置坐標。實際磨削過程中其（qí）主要作用為：消（xiāo）除工件頂尖（jiān）孔深度尺寸的不同而造成磨削（xuē）廢品。其自身（shēn）的單向重複定位精度0.001mm，穩定性好。

4.2 端麵定位器坐標補償數學模型（xíng）簡化（huà）與計（jì）算

如圖 4 所示工作（zuò）台運動為 Z 軸，砂輪架運動（dòng）為X 軸。1 為（wéi）砂輪架，2 為端麵定位器，3 為修整定位（wèi）固定板，其角度為 45°。

定位過程為：Z 軸運動以 F300 的速度觸碰端麵定位器 2，當修整定位板 3 觸（chù）碰到修整（zhěng）器測頭時，此時數控係統接受模擬信號，Z 軸停（tíng）止（zhǐ）運動，端麵定位器收回，數控係統此時可記（jì）錄當（dāng）前（qián） Z 軸（zhóu）的坐標值。由於 X 軸（zhóu）的變化，導致 Z 軸定位誤差，數控係統進行對（duì）比（bǐ）三角（jiǎo）Z並進行計算，就可間接得出三角X的變（biàn）化值。計算如下。

數學計算模型如圖 5 所示，機床（chuáng）是一個質量分布連續的（de）彈性體，具有無限多個自由度。但是，在動態分析中可以根據機床的（de）具體結構，將整機離散成若幹集中質量，簡化成為一個具（jù）有（yǒu）有限（xiàn）個自由度的多自由振動係統，然後采用適（shì）當（dāng）的方法進行（háng）分析計算。

計算如下所（suǒ）示三角Z為Z軸差值；三（sān）角X為（wéi）X軸差（chà）值；

圖 4 運動簡圖

圖 5 修整坐標誤（wù）差數學模型

4、生（shēng）產實（shí）例效果驗證

為進一步確認該方案的實際效果，進行了現場（chǎng）實驗如圖（tú） 6 所示。

圖 6 Z 軸坐標對比

實驗過程分兩步（bù），第一步記錄標準（zhǔn）值。機床運轉 3 小時後在（zài）熱穩定態下，如圖 6 所示，用修（xiū）整定位固定板觸碰端麵定位器，進（jìn）行（háng）Z軸坐（zuò）標定位及記錄，係統將其設定為標準值。

第二步，補償坐標後進行砂（shā）輪修整。實際（jì）中早上一開機（jī）溫度變化最大，坐標偏移最大。由（yóu）於 X 軸（zhóu）坐標變化，導致工作台Z 軸定位時出現三角Z誤差，見圖 6。根據三角Z誤差，係統自動補償 X 軸。數控係（xì）統每次在修整前進行坐標測量（liàng）並補償。補（bǔ）償完後進行砂輪修整觀察。連（lián）續以上實驗。

經過理論分析和連續實驗，此（cǐ）方法避免了修整誤差，每次都可（kě）正常（cháng）修整。最終得出，利用端麵定位器間接補償 X 軸坐標（biāo），可以避免修整誤差，提高機床（chuáng）的可（kě）靠性。

5、結語

機床熱變形的變量因素（sù）多，變化複雜。本（běn）文（wén）以（yǐ）主要變化因素為前提，提出（chū）了利用端麵定位器進行X 軸的補償。從理論分析、三維建模（mó）、熱變形（xíng）分析（xī），數學模型建（jiàn）立，實際驗證，證明了此方法的簡便性和可行性。在（zài）不增加機床成本的前提（tí）下，解（jiě）決了砂輪（lún）修整誤差（chà）導（dǎo）致的工件廢品（pǐn），金剛筆損壞等現象，提（tí）高了機床的可靠性和穩（wěn）定性。

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