机床热误差产生原因分析及常用补偿办法

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　　摘 要：随着我国的发展，工业生产的重要性不言而喻，对机床的加工质量和效率也提出了新的要求。但是在实际生产中，高端机床需要从国外采购，国产机床的热误差仍然是难以解决的问题，对机床的生产质量造成了一定的影响。本文将首先阐述产生热误差的因素，进而列举减小热误差的常用方法，最后叙述热误差补偿技术存在的问题，旨在对我国的机床生产提供借鉴。
　　关键词：热误差;数控机床;建模
　　机床是一种重要的工业设备，在机械生产中具有举足轻重的作用。现阶段，我国工业生产逐渐趋于自动化形态，精密制造技术也在不断发展，这就对机床提出了新的要求，不能够仅仅满足于高精度以及高速度这类传统工作需要，还要具备精密化以及智能化的生产特征。机床精度是机床的重要参数，决定了加工质量的高低，而对于机床精度而言，相关的影响因素一般有许多部分，主要是热变形误差、机床制造装配几何误差、切削加工引起的切削力变形误差以及磨损误差等。
　　根据以往的使用经验和统计，在实际机床的工作中，热误差带来的影响一般在40%和70%之间，基本都是由于机床在持续工作中温度会逐渐上升，同时内部不同部位的温度也有一定的差距，也就是产生了温度梯度，這种内部温度梯度会带来部件间的应力，在应力的作用下而迫使机床产生形变。
　　1 产生热误差的主要因素
　　在数控机床的工作中必然会产生一定的热量，而热源一般可以分为机床内部热源以及机场外部热源这两种。机床运行时内部的电机转动、轴承、导轨摩擦以及电路热功率都会产生热量，其中产生热量最多的就是电机以及轴承这两个部分，对机床的影响较为明显。除此之外，如果为了提升工作量而使用较多的电主轴，那么件导轨和丝杠副摩擦热也会带来较大的影响，同样不能忽视。
　　机床内部热源产生的热量通常比外部热大得多，所以对机床影响最大的基本就是内部热。在机床中，由于各个部分产生的热量不同而导致温度不同，对应的热应力也会有差别，在这种情况下机床就会发生形变产生弹力来抵消热应力的梯度差。在机床的设计中，不仅要考虑内部热源的影响，还要注重机床的总体结构以及零件连接等内容，因为这部分也与热误差有关联。如果机床结构合理完善，那么热容量、热刚度等重要参数也会达到实际需求，减小热误差时滞和耦合。除此之外，组成机床的部件结构、尺寸、材料的选择也会有不同的效果。
　　2 减小热误差的常用方法
　　在机床进行加工的过程中，热误差的大小是不可忽略的部分。根据热误差的产生因素，可以通过实施误差避免技术以及误差补偿技术来降低热误差，进而提升机床加工的精度。
　　2.1 误差避免技术
　　（1）控制热源。在实际应用中，通常针对机床冷却系统的特征来对其进行有效控制，进而维持机床的热稳定性，与此同时，测量机床每个部分的产热量的大小，对高产热部分加以控制，根据设备的具体状态设计优化对应的冷却系统，同时还要提高机床的润滑度。（2）物理冷却。所谓的物理冷却，实际上就是对一些机床进行水淋或者风冷。在机床的工作过程中，如果普通的物理冷却难以达到降温标准，影响了机床的工作效率，那么就可以考虑实施强对流方法进行冷却，而这种方式会耗费更多的经济。
　　根据以往的使用经验，相关研究人员逐渐发现控制热源以及物理冷却这两种方式有一定局限性，因此在新阶段的研究中更加注重低能耗、高效益的工作方式。机床内部较为复杂，结构特殊，同时还有大量的部件，对各个部件进行有效控制十分困难，耗资也多。另外，机床的工作环境也并非一成不变，这就对降低热误差带来了更高的难度。
　　2.2 误差补偿技术
　　误差补偿技术在实际使用中有十分明显的效果，得到了人们的广泛认可，对降低热误差具有重要的意义。误差补偿技术主要分为直接补偿和间接补偿这两类。
　　直接补偿一般通过间接测量以及补偿位移大小进行补偿，技术人员如果想要知道道具的位置，仅需要通过工件上的传感器进行测量，虽然直接补偿的使用并不困难，但是会停止切削过程，降低工作效率。不同于直接补偿，简介补偿需要知道设计热误差模型以及传感器反馈数值来明确实时状态，进而进行误差补偿。
　　2.3 优化设计及其他控制方法
　　有限元分析技术是一种先进的技术，对各方面的发展都有有效的参考和帮助。通过这种技术，设计人员在机床设计中越来越注重机床的绿色设计、系统动态设计以及优化设计等方面。
　　近些年来新型材料不断产生，对其他行业的发展也带来了推动作用。譬如可以将花岗岩用于机床床身，而陶瓷轴承、磁力轴承及气体静压轴承等可改善接触条件，降低接触热产生，提高转动精度。通过对机床使用过程和加工过程的相互作用研究，温差对其使用精度影响较大，可以采用优化加工顺序和加工参数来减少热变形的产生。
　　3 热误差补偿技术存在的问题
　　近些年来，由于科技的进步和创新，热误差补偿技术相对于过去已经有了较大的提升，解决了部分机床的热误差问题。但是在实际生产过程中，一部分生产问题仍然没有得到改善，在应用中还存在诸多不便。对于一些高质量的加工场合，对国外高端机床有很大的依赖，我国机床的热误差补偿技术仍然无法机型批量生产使用。
　　一些热误差产生的特征是重要的参考内容，但是对其进行测量和辨识会耗费大量资源，机床在工作中周围环境的变化是热误差的一方面因素，同时，加工工况、切削参数以及工作时长也是热误差的影响因素。
　　机床在工作过程中的环境温度一般都在不断变化，如果要建立热误差补偿模型，就只能建立某个温度范围的模型，在其他温度状态下，相应的数学模型就不再适用。
　　4 结语
　　综上所述，机床是工业生产的重要部分，对工业生产具有重要的意义。为了有效降低机床的热误差，提升机床的加工精度，就必须要充分了解机床热误差产生的因素，从这些因素入手，采用误差避免技术、误差补偿技术研究优化设计其他控制方法，进而改善机床的质量，保证机床工作效率，为工业生产提供根本保证。
　　参考文献：
　　[1]Li Y，Zhao W，Lan S，et al.A review on spindle thermal error compensation in machine tools[J].International Journal of Machine Tools and Manufacture，2015，（95）：20-38.
　　[2]罗文.数控机床热误差检测与补偿技术[D].南京：南京航空航天大学，2010.
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