马鹏霄 石永珊 王聪伟
摘 要：近年来，随着我国数控机床加工制造的不断发展，数控机床的加工精度得到了很大的提高，但是在可靠性，精度维护和耐热性方面还需要提高。本文对数控机床的热设计技术进行细致分析，包括热镜系统的整体设计，冷却和散热方法的设计以及电气系统的热变形补偿，以确保数控机床的耐热性，进一步提高了机床的加工精度。
关键词：机床热设计;热镜像结构设计;机床冷却
耐热性是影响数控机床精度的主要条件。当许多数控机床生产和加工高精度零件时，机械设备本身无法满足热稳定性法规，它们受生产车间温度变化，主轴轴承热旋转，滑轨摩擦热和电机除热等因素的影响。连续不规则地偏移程序流程的预设坐标点，导致产品工件的生产和加工质量下降甚至损坏。本文重点分析了数控机床的热设计技术，包括热镜系统结构和数控机床生产中使用的熱补偿方法的设计方案等，以进一步提高数控机床的加工精度，以确保数控机床的耐热性。
一、机床热设计技术
金属复合材料具有热膨胀和冷收缩的特性。温度每变化1℃，钢的长度就变化11.7μm/ m。在减少数控机床热偏差的设计中，从源头上改善数控机床的热特性非常重要。数控机床开始运行后，零件的温度缓慢升高，规格随温度变化而变化时，数控机床的加工精度不稳定。当零件的热值和热容量达到平衡时，数控机床的精度将保持稳定。但是，由于设计方案和制造水平的原因，某些数控机床无法实现热循环，这导致数控机床无法始终实现平滑的加工精度。
二、采用热镜像结构
在整个操作过程中，数控机床不可避免地会变热。有必要确保热变形是规律的和可操纵的，并且热变形符合预测的发展趋势，为后续的电路系统热补偿奠定基础。热镜系统的结构是典型的接受热量和操纵热量的结构。热镜系统为完善的数控机床的主要工程追求全面的镜系统。它包括加工厂的标准横截面，并彻底开发了数控机床的基本零件和热原。数控机床的热镜系统结构如图1所示。基本部件，床身，立杆，主轴轴承箱和工作台都是相对标准横截面的镜系统结构，并且刀架电机X1，X2，Y1，Y2和Z1是主要的发热体，它们也布置在相对标准横截面的镜面系统中。特别是进给电机X1和X2的布局，具有相同结构的电机布置在同一进给滚珠丝杠的两侧，实现机床结构与热源的完全镜像，结构较为先进。利用热镜像结构，热源影响机床发生形变后加工点依旧处于镜像基准的截面之中，机床精度变化受热变形的影响较小。
三、采用适当的机床冷却方式
（一）主轴冷却
主轴轴承是数控机床的核心部件。由于主轴轴承最靠近钻孔点，因此其精度变化对加工精度的影响更大。在主轴轴承高速运行的整个过程中，热原的关键来源是机床主轴轴承的滚动摩擦。热量会使滚动轴承变形，从而损害主轴轴承的精度并缩短滚动轴承的使用寿命。数控机床的一般简单冷却方法是对机床主轴轴承的第二回路进行冷却。由于第二回路不旋转，因此结构相对简单，但是实际的冷却效果并不理想。数控机床的适当冷却方法应基于主轴轴承本身，以便在滚动轴承的内圈上进行循环系统制冷，以使主轴轴承和滚动轴承的内圈不会膨胀，滚动轴承保持稳定的预应力，并有效润滑滚动轴承，以减少摩擦和热量的产生，并保持主轴轴承温度的稳定性。但是，由于滚动轴承内圈的制冷结构比较复杂，因此在中国的数控机床中很少使用。除了制冷滚动轴承外，还应特别注意主轴轴承箱的设计，主轴箱必须具有足够的热弯曲刚度和优良的散热结构。
（二）机床基础零件及加工环境的冷却
在数控机床的基础部件中设计循环系统，连接制冷材料，温控装置促进制冷材料对数控机床本身进行循环系统冷却，使基础部件的温度稳定，并提高了数控机床领域的绝缘材料的生产。热循环保护罩可以阻止外部工作温度变化对数控机床的危害。热循环保护盖使数控机床的生产和加工的自然环境产生一个单独的室内空间，空调系统与环境相连，以控制温度并保持温度稳定，因此可以长期保持机床的加工精度。
四、电气系统对热变形的补偿
除了选择有效的结构和制冷系统外，对电路系统进行热变形补偿对于确保数控机床的耐热性也特别重要。选择技术专业的系统软件和传感器，收集数控机床关键零件的热变形数据信息，如主轴轴承，柱塞，杆，床身等，并创建热偏差实体模型，进行结构分析和补偿。起点平移转换热偏移补偿方法是现阶段常用的热偏移补偿方法。起点平移转换补偿方法的基本原理是热偏差补偿控制板的电子计算机床的热偏差。该偏差作为补偿数据信号发送至数控控制板，然后根据数控自动控制系统中PLC的I / O端口进行转换。更改参考起点以完成对热偏差的补偿。
在数控机床的设计过程中，有必要强调热设计的重要性。在数控机床的结构层次上，可以选择热对称结构。在温度控制级别，可以选择有效的冷却，除热和研磨方法。数控机床从发热到变形的整个过程比较复杂，其热变形补偿也更加复杂和关键。热变形补偿是提高数控机床加工精度的核心技术。在这个问题上应该做进一步的科学研究，形成系统的理论方法应用到数控机床设计领域。
参考文献：
[1]邓小雷，林欢，王建臣，等.机床主轴热设计研究综述[J].光学精密工程2018，26（6）：1415-1429.
[2]高建民，史晓军，许艾明，等.高速高精度机床热分析与热设计技术[J].中国工程科学，2017，15（1）：28-33.
[3]傅建中，姚鑫骅，贺永，等.数控机床热误差补偿技术的发展状况[J].航空制造技术，2019（4）：64-66.
