机床结构的热平衡与优化设计技术

　　　　日本东京大学的佐田登志夫等把机床热变形看作是由于温度变化而引起的机床结构刚度不足，提出了“热刚度”的概念，并将机床的静刚度、动刚度和热刚度这3个方面的问题统一起来研究。机床的热刚度是机床达到热平衡时的温升与热变形值之比，表示机床抵抗热变形的能力，是表征机床热特性的特征量。由于不同零件的热刚度对整机热刚度的影响不同，四川大学的阳红等在此基础上提出了机床重点热刚度的概念，并提出了一种基于热误差神经网络预测模型的机床重点热刚度辨识方法，为合理分配机床热刚度并为机床零部件的热刚度组成整机的热刚度。热刚度概念的提出统一了传统力学的刚度概念，对于形成统一设计理念与方法具有重要的指导意义。依据热刚度理念，机床结构热平衡设计的主要内容是以结构尺寸为设计变量，以弯曲、扭转等热变形的位移量为目标函数，以提高部件和机床整体的热刚度为目标进行优化设计。机床在热设计时需要根据机床的热特性从机床的主要热变形部分入手，即注重关键发热区域和热敏感部位，常见的如主轴的热膨胀、主轴箱的热变形、滚珠丝杠的热伸长以及立柱的热倾斜等，通过对这些关键部件进行结构热平衡设计，进而把握机床整体的热变形，再进行整体优化、均衡结构和对称结构设计。日本大隈（OKUMA）公司基于其20年来对热变形处理的研究经验，提出了“热亲和”的概念。“热亲和”是指与热友好共处的构思。此前的机床采取的措施主要针对如何减少热的产生量或如何冷却。“热亲和”的构思是在尽量减少热量产生的同时接受热，合理利用热。虽然热测复杂的热变形很困难，但是通过“热变形单纯化”与“温度分布均匀化”的机床构造，进行可预测的规则热位移，并正确地进行热结构平衡补偿控制，即使没有恒温室等大型的设备，也可以形成稳定的热结构，并维持高精度。“热亲和”思想是合理利用热。实现规则的可控热变形，它可以使机床在温度变化时保持相同的热平衡结构，将热变形抑制在最小程度。一般常用的结构是以加工点为中心的“热对称结构”，使构成要素形状简化的“箱式组合结构”，以及通过护盖与附属单元合理布局使温度分布均匀化的“热均衡结构”。如主轴采用简单热变形结构，应用正确地热位移补偿方式，使主轴能在长时间运转中保持热变形在4µm以内。采用合理的热力学结构，无论是切削加工、电机驱动及构件运动导致的机床温度变化，还是切削液、车间环境等引起与位移量进行伸缩，这样就为合理的热控奠定了基础。

吉田嘉太郎在1973年提出了“热中性轴”的概念，他认为主轴热位移会因主轴箱内热源和支撑方式的改变而不同，因此应该设法寻求在机床热变形状态下，保持主轴位置不变，从而提高机床的热精度。后来他将这一概念进一步发展为“热对称面’的概念，把最影响加工精度的零件配置在热对称面上，大大改善热变形所引起的加工精度不良的状况，利用该理论设计的双立柱夹箱式结构就是一个典型的热对称结构，可避免一般单立柱机床经常出现的主轴热倾斜现象，瑞士在机床设计中也十分重视热源对机床的影响，主张热源对称分布。如果一台机床仅在一侧设置油箱或电机，由于受热，易使机床倾斜；若在机床两边对称配置电机，使其两边受热条件均匀，就不会产生左右倾斜。作为机床主要基础件，立柱、床身、主轴箱的力学特性和热学特性对机床的加工精度和精度稳定性有较大的影响。在这方面的研究表明，主轴箱变形量的不对称性会导致主轴轴线的偏移或产生偏角；增加局部厚度，改变筋板布置形式可在减轻床身重量的同时改善床身的结构变形。合理选择立柱结构尺寸参数可提高其热刚度，对基础件的热对称设计（结构对称设计和热源分布对称设计）是减小有害热变形的有效措施。

另外、热容量平衡设计也是改善热变形有效的方法。它是根据机床各部件热容量的不同，对局部热容量大的部件采取一定的措施来控制和减少其温升，使它与热容量较小的部分不致产生较大的温差，尽量达到它们之间的热平衡，从而使机床整体的热变形减少。合理地设计机床散热板有利于平衡部件之间的温度场。

此外，机床热结构优化技术还包括反变形技术，另外，使用花岗岩、陶瓷、混泥土、玻璃钢等新材料也可以减少热变形。用反变形来抵消热变形的不良影响是一种简单易行的有效方法。呼和浩特第三机床厂以某平面磨床为例，在加工时主动对机床导轨采用中凸结构，很好地提高了磨床加工精度的稳定性。机床热设计的另外一种重要方法就是设计高效的冷却系统，通过控制机床的温度变化来提高机床的精度。