高精密外圓磨床熱變形的修整補償分析
2021-9-24 來源： 陜西秦川格蘭德機床有限公司 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制尺寸精度，但在修整過程中由于熱變形引起機床坐標的變形，容易造成磨削廢品，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，國內有許多同仁及科研院所總結了很多關于熱變的文章，提出了許多寶貴經驗。基于高精度數控外圓磨床熱變形進行理論分析，三維建模，依仿真模擬為指導，提出了一種利用端面定位器進行補償的方法，從成本、可靠性及可操作性出發進行分析驗證以供參考。
關鍵詞 :砂輪修整 熱變形 有限元 坐標補償 外圓磨床 端面定位器
制造業是國民經濟的根本，經濟的高速發展離不開制造業支撐。談到制造業就離不開兩個話題“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外圓磨床的精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。而如何在市場競爭中取得“價格”和“質量”的雙優勢成為各廠家存活和致勝的關鍵。就此對技術人員提出了新的挑戰。
眾所周知，物體具有熱脹冷縮現象，金屬材料也不例外，雖然變化很小，但是實際上不容忽視，例如截面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 MKS8312 機床上做過實驗：當冷態和熱穩定態時候后床身的彎曲變化為 0.008 mm。機床“冷態”和“熱穩定態”引起的坐標變化在修整時影響大且很難消除，主要影響：(1)影響工件的表面質量；(2)熱變形嚴重時造成金剛筆的損壞。調查表明，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]，因此改善和控制熱變形有意義很大。
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]。實際生產中有以下方法：(1)采用人造花崗巖床身，其熱脹系數為 2×10 -5（是金屬的 1/20），曾在 MGF32 機床上采用人造花崗巖作床身，其熱穩定性好，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。在調試 MKS8312 時，曾做過相關實驗，將水溫控制方式改為恒溫同調，改后效果略有改善，但其不可量化。（3）機床冷態修整時依靠工人的經驗數據進行坐標補償。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）等待機床穩定后修整磨削，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）較為高端的機床配置實時溫度測量補償系統進行補償，但該系統的應用大大增加了機床的成本和價格。
就此，從經濟和穩定性出發筆者提出一種新的解決方法，利用磨床用“端面定位器”進行坐標差計算并補償，此方法既經濟又穩定。以下來分析驗證此方法的可行性包含理論分析、建立數學模型、實例說明并驗證。
2、建立三維模型及熱變形進行理論分析
2.1 機床熱變形分析
熱源分為內部和外部，其發熱量和環境溫度隨著加工條件及時間而變化，而機床有自身的熱容量，導致溫升有時間滯后性，所以機床的熱變形是非定?，F象。由于其熱變化的復雜性，現僅對主要影響因素進行分析。
內部熱源會產生一定的發熱量，并通過零部件之間的傳導，床身會出現散熱不均勻。數控外圓磨床為T形床身，在Z軸熱變化方向對修整影響很小，原因為兩點：首先，前床身平 V 軌為熱對稱結構如圖 1，熱剛較好，筋板布局均勻散熱均勻。其次修整時絲杠處軸承為固定端，所以前床身的變化很小。熱變形主要在前后床身結合處，原因為：(1)前后處的筋板厚度和布局不同散熱條件不同；(2)主要熱源砂輪架電機等集中在后床身；(3)大量的冷卻液集中在后床身處。
圖 1 工作臺熱對稱結構
3、三維建模后熱分析
利用UG進行床身三維模型的建立，通過有限元軟件 ANSYS 分析其熱變形，確認其熱變化特點。因為模型十分復雜，所以在建模過程中需要對模型進行簡化，使簡化后模型既便于開展又不影響分析結果。機床的熱變形是非定?，F象，隨時間、工況、和環境的變化而變化，其受約條件較多。而數控磨床主要的因素為冷卻液對床身的熱變形影響，且變化主要集中在后床身，以此來進行有限元熱分析。
分析條件為：水溫 20℃，材料為灰鑄鐵，環境溫度為 10℃。圖 2 為溫度分布圖，圖 3 為熱平衡過程中變形量的變化圖。
圖 2 冷卻液影響下的溫度分布圖
圖 3 熱變形位移量（平衡溫度 28min）
線條依次往下：上面第一條線為總位移，第二條線為 X 軸位移量，第三條為 Y 軸的位移量，第四條為 Z 軸的位移量。平衡時間約 28min。此時可以得出后床身冷態和熱平衡后的變化量為 0.035mm。這就造成修整坐標的偏移。
4 、端面定位器進行坐標補償的模型簡化與數學模型
4.1 端面定位器的常規應用
端面定位器在高精度數控外圓磨床的應用成熟且很廣泛，它僅給數控系統提供一個模擬量，用于確認當前工作臺（Z 軸）的位置坐標。實際磨削過程中其主要作用為：消除工件頂尖孔深度尺寸的不同而造成磨削廢品。其自身的單向重復定位精度0.001mm，穩定性好。
4.2 端面定位器坐標補償數學模型簡化與計算
如圖 4 所示工作臺運動為 Z 軸，砂輪架運動為X 軸。1 為砂輪架，2 為端面定位器，3 為修整定位固定板，其角度為 45°。
定位過程為：Z 軸運動以 F300 的速度觸碰端面定位器 2，當修整定位板 3 觸碰到修整器測頭時，此時數控系統接受模擬信號，Z 軸停止運動，端面定位器收回，數控系統此時可記錄當前 Z 軸的坐標值。由于 X 軸的變化，導致 Z 軸定位誤差，數控系統進行對比三角Z并進行計算，就可間接得出三角X的變化值。計算如下。
數學計算模型如圖 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，在動態分析中可以根據機床的具體結構，將整機離散成若干集中質量，簡化成為一個具有有限個自由度的多自由振動系統，然后采用適當的方法進行分析計算 。
計算如下所示三角Z為Z軸差值；三角X為X軸差值；
圖 4 運動簡圖
圖 5 修整坐標誤差數學模型
4、 生產實例效果驗證
為進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
實驗過程分兩步，第一步記錄標準值。機床運轉 3 小時后在熱穩定態下，如圖 6 所示，用修整定位固定板觸碰端面定位器，進行Z軸坐標定位及記錄，系統將其設定為標準值。
第二步，補償坐標后進行砂輪修整。實際中早上一開機溫度變化最大，坐標偏移最大。由于 X 軸坐標變化，導致工作臺Z 軸定位時出現三角Z誤差，見圖 6。根據三角Z誤差，系統自動補償 X 軸。數控系統每次在修整前進行坐標測量并補償。補償完后進行砂輪修整觀察。連續以上實驗。
經過理論分析和連續實驗，此方法避免了修整誤差，每次都可正常修整。最終得出，利用端面定位器間接補償 X 軸坐標，可以避免修整誤差，提高機床的可靠性。
5、結語
機床熱變形的變量因素多，變化復雜。本文以主要變化因素為前提，提出了利用端面定位器進行X 軸的補償。從理論分析、三維建模、熱變形分析，數學模型建立，實際驗證，證明了此方法的簡便性和可行性。在不增加機床成本的前提下，解決了砂輪修整誤差導致的工件廢品，金剛筆損壞等現象，提高了機床的可靠性和穩定性。
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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，歡迎聯系本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
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