机床热力学研究综述.docx

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机床热力学研究综述

机床热力学研究现况

数控机床中之热变形是阻碍加工精度的重要因素,在周密加工和大型零件加工中,由于热变形引发的误差极大。

因此,研究和探讨数控机床的热变形,对提高机床的加工精度有着极为重要意义。

由于数控机床工作时,会受到多种热源的阻碍,包括：

机械动力源（如主轴电机、进给电机等）能量损耗转化为的热量;传动部件（如轴承副、导轨副等）产生的摩擦热;刀具切削加工时产生的切削热;室温转变、阳光照射等引发的环境热,机床工作时始终处于内、外热源的作用下,而且这些热源从全然上说都是非恒定的,由于加工条件不同,转变的程度也不相同;机床各零部件的材料、形状、结构各不相同,各自的热惯性也不相同,再加上连接件之间结合面的热阻、机床表面不尽相同的传热状况等因素,从而形成了不同的温度场。

这使得机床各部件之间的相对位置发生了转变,破坏了机床原有的精度,加速了运动件的磨损,从而造成工件的加工误差。

1数控机床的进展进程

从20世纪40年代以来，汽车与飞机的制造工业进展迅速，原先的加工设备已无法达到航空工业之需求的复杂外形零件，数控技术是为了解决复杂形面而应运而生，1948年，美国帕森斯（Parsons）公司在研制加工查验直升机叶片轮廓的样板的机床时，第一提出利用电子运算机操纵机床来加工样板的假想，以后帕森斯（Parsons）公司又与麻省理工学院（MIT）伺服机构研究所合作进行研制工作，1952年试制成功第一台三坐标立式数控机床，并于1955年进入有历时期，这增进了美国飞机制造业的发展。

1952年美国将运算机技术应用到机床上，因此诞生了第一台数控机床，而近半个世纪以来，数控机床迅速进展，一下为其进展进程。

（1）数控时期（1952年-1970年）

初期运算机的运算速度慢，因此不能适应机床实时操纵的要求，人们不能不采纳数字逻辑电路制成一台机床专用运算机作为数控系统，这被称为硬件链接数控（HARD-WIREDNC），简称为数控（NC）。

那个时期可分为三代，别离为1952年的第一代-电子管数控机床;1959年的第二代-晶体管数控机床；1965年的第三代-集成电路的数控机床。

（2）运算机数控（CNC）时期（1970年-此刻）

直到1970年，通用小型运算机业已显现并成批出产，这比逻辑电路专用运算机本钱低、靠得住性高，因此从此进入运算机数控时期，1974年，微处置机被应用于数控系统，到了1990年，PC机的性能以进展到很高的时期，可知足作为数控系统核心部份的要求，而且价钱廉价，靠得住性高，数控系统从此进入了基予PC的时期。

那个时期也分为三代，别离为1970年的第四代-小型运算机数控机床；1974年的第五代-微型运算机数控机床；1990年的第四代-基于PC的数控机床。

2机床热力学研究现况

综述了数控机床热误差模型的研究现状,从热误差模型的类型、优化模型变量建模、综合误差模型、在线热误差模型等方面将已有模型加以分类并进行分析。

对机床热变形的理论研究始于20世纪60年代,并陆续发表了一些有关机床热变形理论方面的文章。

开始时期是利用热工学理论知识研究机床热变形问题,初步成立了温度场与热变形之间的定性关系。

直到70年代初,由于运算机等分析工具和远红外热像仪、激光全息照相等测试技术在热变形研究中的有效应用,使机床热变形研究进入了定量分析的新时期,开始利用有限差分法和有限元法计算复杂的机床基础件的瞬态、稳态温度场和热变形。

目前,已开发出适于计算各类复杂模型的通用有限元分析软件（如ANSYS、Nastran等）,它们已成为运算机辅助工程（CAE）的一部份,正向着运算机辅助制造（CAM）的方向进展。

国内外学者在数控机床热误差建模方面进行了许多深切的探讨和尝试,以有限元为基础,从数值分析和智能操纵等诸多方面提出了一些新假想、新方式,而且在实际数控机床上进行了测试和查验,从而推动了研究的进展。

因为引发数控机床热变形的因素是多方面的,且各个因素之间并非是孤立的,而是彼此联系的。

因此在解决问题时,应全面综合考虑、几种方法并举,才能有效操纵机床的热变形。

2.1国内外研究现状

在国内，从事机床误差补偿技术研究的有浙江大学、天津大学、华中科技大学、清华大学、哈尔滨工业大学、南京航空航天大学、东南大学、上海交通大学、台湾的国立台湾大学、台湾的中山科学研究院等。

而在国外，从事机床误差补偿技术比较有阻碍的有美国的密西根大学、国家标准和技术研究所、辛辛那提大学、日本的东京大学、德国的阿亨大学、柏林的工业大学等，

人们对机床热变形阻碍加工精度的问题发感觉较晚。

1933年瑞士对坐标镗床热变形进行了测量和研究[1]，发觉了坐标镗床热变形阻碍定位精度。

60年代中期以前，日、美、苏、联邦德国等国家对机床热变形的实验研究还仅局限于各类机床实验时期，并局限于定性分析。

随着宇航技术及微电子技术的进展和机械加工日趋周密化、自动化、高效化，机床热变形对加工精度的阻碍慢慢引发了注意。

60年代以后电子运算机的应用、有限元法计算技术的推行、新测试手腕的显现，使热变形的研究开始进入了定量分析时期。

美国的BerndBossmanns和JayF.Tu等人[2,3]运用有限差分法，成立了一个高速电主轴的发烧、热传递、表面换热的模型，并与某型电主轴上的测量结果进行了对照。

Chi-WeiLin、JayFTu和JoeKamman等[4]成立了高速主轴的热-结构耦合动力模型，考虑热膨胀时对轴承预紧力、轴承刚度的阻碍，并给出了与实验结果的对照和灵敏度分析结果。

HongqiLi和YungCShin[5]运用有限元法成立了一个更为复杂条件下的高速主轴热-结构耦合动力模型。

他们将主轴的动态性能与轴承的发烧、整个系统的热膨胀耦合在一路考虑。

HongqiLi和YungCShin[6]还讨论了轴承的布置形式对主轴热-动态性能的阻碍。

广东工业大学的黄晓明、张伯霖等[7]对高速电主轴的发烧、热传递、换热系数、温度散布等进行了较全面的研究，提出了一些对降低温升，改善温度场散布等有利的建议。

韩国Kwang-Ju理工大学机械工程学院的Sun-MinKim,Jae-HoonHa,Sung-HoJeong,Sun-KyeLee[8]等人分析了一个轮轴系统，通过改变结合面的螺栓预紧力、结合面锥度和结合面面积等因素系统分析了以上参数对结构动力学特性的阻碍，将结合面用一组弹簧来代替，其他结构用集中质量法建模，以低阶模态特性为指标定量给出了它们之间的关系。

波兰皇家工学院机床与产品工程系的FranciszekOrynski,WitoldPawlowski[9]从理论方面来推导了切削系统的动力学特性。

文章给出了水静压轴承的主轴模型，在此模型上定量研究了强迫振动对磨削切削性能的阻碍。

据阿亨大学HBrauning分析：

现代机床加工工件的制造误差中，由热变形引发的误差比例高达50％；英国伯明翰大学JPeckenik的调查说明：

周密加工中由热变形引发的加工制造误差所占的比例未40％～70％[10]；对结合面接触热阻的研究，国外从六十年代就开始了，并提出了短圆柱模型、圆盘接触模型、圆锥体模型、圆环形模型等。

可是一直都没有成立起对所有结合面情形都适用的接触热阻模型，也没有比较可信的实验测量方式。

九十年代初，随着分形理论的进展，美国的AMajumdar和BBhushan等人用分形理论成立了粗糙表面的接触模型[11]。

由此，许多人用那个模型开始对接触热阻进行研究。

AMajumdar和CLTien[12]成立了接触热阻的分形网络模型，并与以往研究者成立的接触热阻模型进行了对照，显示出了较好的准确性。

我国在50年代就开始了机床热变形研究，那时的大连工学院对一台内圆磨床作改良的时候为了尽力提高精度，他们对一批零件尺寸做了统计分析，发觉总趋势是一指数曲线，零件的尺寸在曲线周围波动。

第一个零件于最后一个零件尺寸相差40微米。

通过度析他们发觉打砂轮的架子随加工时刻增加不断后退，产生此现象的最重要缘故是机床的热变形。

在五十年代末我国组织了周密机床会议，很多单位进行了热变形的研究。

七十年代后期有关机械制造中传热与热变形的课程在很多高校前后展开。

1984年正式成立了全国机床热变形研究会，标志我国机床热变形的研究和学术活动进入了新的时期[13]。

浙江工业大学机电工程学院的王金生、翁泽宇等人利用有限元法对XK717型的数控铣床进行了整机的热特性分析。

在对铣床边界条件分析的基础上，对整机的温度场和变形场进行了细致的分析，得出了冷却水的流量和预紧力对主轴轴承温升的阻碍规律，从而为铣床的设计提供了理论依据[14]。

美国的BerndBossmanns和JayF.Tu等人运用有限差分法，成立了一个高速电主轴的发烧、热传递、表面换热的模型，并与某型电主轴上的测量结果进行了对照[15-16]。

Chi-WeiLin、JayFTu和JoeKamman等成立了高速主轴的热-结构耦合动力模型，考虑热膨胀时对轴承预紧力、轴承刚度的阻碍，并给出了与实验结果的对照和灵敏度分析结果[17]。

关于电主轴热分析，北京工业大学张立燕在对数控机床的热分析的基础上采纳基于神经网络的热补偿技术，提出了利用压电陶瓷制作微位移执行器以带动工件实现误差补偿的观点。

除那个观点，其研究中还提出了先进的神经网络理论，成立了数控机床热误差补偿神经网络模型[18]。

这关于如安在分析的基础上进一步操纵热变起了重大作用。

热弹性模型是工程中普遍采纳的热结构分析模型。

文[19-23]系统地介绍结构热响应分析的研究工作。

内容包括一维、二维、三维弹性体和板壳结构的热应力、热屈曲和热振动的分析问题。

最近几年来，随着人们对高胜能、高效率和高动力结构部件的要求不断提高，结构的热效应作用日趋显著，热结构分析的研究工作受到了普遍关注，研究内容涉及的领域不断扩大。

Tauchert[24]综述了板的热变形、热屈曲和热振动的解析解研究工作。

美国的密西根大学在1997年成功的将误差补偿技术实施于美国通用（GM）公司下属一家聚散器制造厂的100多台车削加工中心上，使加工精度提高一倍以上。

美国密西根大学还与美国SMS公司在1996年一起研制和开发了集热误差、几何误差和切削力误差为一体的误差补偿系统，并成功地实施于该公司生产的双主轴数控车床上[25]。

密西根大学的JunNi等运用动态的神经网络工IRNN（工IntegratedReCurrentNeuralNetwork）来成立非线性的热误差模型，并与基于多元回归分析、多层前馈网络和RNN网络成立的热误差模型进行比较，结果说明工RNN网络具有较好的鲁棒性[26-27]。

密西根大学的HongYang等提出了基于Kalman滤波参量估量的动态自回归模型，此模型能够依照在不同的工况下自适应修正模型参数，来预测热误差，极大的提高了模型的鲁棒性[28]。

美国密西根大学这几年还为美国波音飞机制造公司的一些加工设备实施了误差补偿技术。

3减少机床热变形的方式

综和上述，随着科学技术与运算机模拟的技术的提升，针对国内外热误差补偿技术进展现状和上述所存在的关键问题，关于机床热变形的解决方式有以下几种:

3.1进行热误差建模和补偿

它是通过传感器对机床在线搜集数据（如热位移或温度）,进行A/D转换,再通过成立的热误差模型,对误差进行预测,然后进行补尝。

它的关键技术确实是成立好的热误差模型和误差补偿策略。

目前,对热误差补偿研究,如美国密歇根大学ChenJ1S教授等提出了包括几何误差在内的多达32个误差源的在线测量、数据处置和误差补偿系统。

上海交大提出的鲁棒建模方式,还有很多学者利用神经网络的方式进行热误差补偿等。

但热补偿方式也有其缺点,如在进行数据搜集的时候,由于传感器精度及其它缘故的干扰,使得搜集的数据可能失真,如此就会对补偿结果造成阻碍。

3.1.1人工神经网络简介：

神经网络”或“人工神经网络”是指用大量的简单计算单元（即神经元）组成的非线性系统，它在必然程度和层次上仿照了人脑神经系统的信息处置、存储及检索功能，因此具有学习、经历和计算等智能处置功能[29]

Kohonen神经网络具体学习进程如下:

（1）网络初始化

是从输入节点i到输出节点j在时刻t的权值。

初始化Wij（0）为一个小的随机数。

围绕节点j成立半径为Nj（0）的初始邻域。

（2）加入鼓励输入

加入输入向量

其中，X（t）为在时刻t对节点

的输入。

（3）计算距离

计算输入戈（t）与所有输出节点j（j=l，2，…，c）之间的距离dj:

（4）选择{dj}中的最小距离dj*，取dj*=min{dj}中对应的j*。

（5）调整权值

调整j*和由邻域Nj*（t）概念的节点的权值，新的权值为:

为增益项，

。

实际应用中

的值通常在权值修正中凭体会选取。

（6）转移到第2步，网络学习终止后，连接权值再也不进行调整，模型即可用于分类。

关于数控机床的热变形,补偿方式要紧有两种:

①在精度要求不高的情形下,通过直接测量出的热变形数值或通过其它方式（如离线建模等）,找出热变形与工艺参数、时刻参数的关系模型,取得其变形的转变规律,然后编程并按此规律进行误差补偿;②精度要求较高时,可采纳实时测量补偿系统进行补偿,该方式通过必然的实时测量系统和误差模型快速实时地取得补偿值,实现实时误差补偿。

3.2温度操纵

在机床构件（如立柱、床身）的必然位置上布置冷却系统,实现均衡的温度场,减少热误差。

对机床的内热源强制冷却是从来较多采纳的方法之一。

专门对于机床的要紧热源和阻碍加工精度的关键部件—主轴系统,应用尤其普遍。

前苏联在车床上应用了半导体装置自动操纵油温;三菱重工在20世纪80年代时研制电子冷却主轴,并应用于MPA-100A型卧式加工中心,使主轴在10000r/min的高速运转下,仍可达到0.002mm的加工精度。

浙江大学和武汉重型机床厂联合开发了应用于重型机床的热监控系统,来操纵机床的热变形。

利用辅助人工热源,也能够对机床热变形进行矫正,如美国莫尔公司的座标磨床、瑞士豪斯公司的2A3座标镗床等,均采纳电子线路对人工热源实行操纵,有效地改变了机床的热变形,提高了加工精度,如下图所示,T4163坐标镗床关于温度操纵的因应方法。

T4163坐标镗床

因应方法

隔热罩3将主电机2、变速箱1产生的热量通过电机上的风扇吹向立柱下方，从排风口排出。

成效：

当n=1800r/min，空转2小时后，可使立柱温升从原先的℃下降到℃；使机床主轴轴线横向的热位移由42μm减小到8μm。

另外波兰的弗罗茨瓦夫工业大学的等[30]学者提出的文章中指出，利用不同冷却装置的情形，和找出各个热源并将其降温，主轴中的热源有轴承中的热流量、主轴部件的热流量、主轴皮带传送时产生的热和主轴轴承的冷却部份等等，透过利用不同的轴承和利用水冷的方式，并隔离各个热源使其可不能彼此阻碍，以下图为冷却的形式及其内部构造图，那个构造能够降低Y轴100到20μm及Z轴110μm的热位移。

3.3热态特性优化设计

热态特性优化设计,确实是在必然热源作用下,从形状优化和参数优化动身,寻求合理的温度散布和刚度散布,操纵机床结构的热位移,保证加工精度。

在优化设计中,结构热对称设计是减少机床热变形对加工精度不良阻碍最有效的方式之一。

它是由日本的吉田嘉太郎提出的“热对称面”的设计理论,即把阻碍加工精度最大的零件配置于热对称面上,就能够大大改善热变形所引发的加工精度不良的状况。

如加工中心立柱垂直导轨上的主轴箱部件采纳夹箱式结构,确实是一个热对称的典型设计,可幸免一样单立柱机床常常显现的主轴热倾斜现象,以提高加工精度和热稳固性。

热容量平稳设计也是减少热变形之有效方式,它是依照机床各部件的热容量不同,因此,对局部热容量大的部件采取必然的方法来操纵和减少其温升,使它与热容量较小的部位不致产生较大的温差,尽可能达到它们之间的热平稳,从而使机床整体的热变形减少，以下介绍数控铣床的热分析。

数控铣床热分析的边界条件

考虑热源和对流换热两种情形

要紧热源

1切削热

2轴承摩擦热

要紧对流形式

1自然对流

2强迫对流

切削热

V为切削速度;FZ为切向切削力

CFZ,KFZ别离为切削力系数和材料修正系数;ae,af,ap别离为切削宽度、每齿进给量、切削深度;Z为铣刀齿数;d为铣刀直径;xFZ,yFZ,zFZ为切削力阻碍指数。

转动轴承摩擦热

式中M为摩擦力矩n为轴承转速关于近似的计算能够取摩擦力矩公式

式中为摩擦系数；d为轴承内径；F为轴承所受负载

关于较准确的计算,可依照Palmgren实验结果得出的摩擦力体会公式

f1为与轴承类型和所受负荷有关的系数;P1为确信轴承摩擦力矩的计算负荷;dm为轴承中径;

当时

当时

f0为与轴承类型和润滑方式有关的常数;dm为轴承中径;n为轴承转速;v为润滑剂运动粘度

表面换热

依照努谢尔特准那么换热系数

λ为流体热传导系数;L为特点尺寸;Nu为努谢尔特数

自然对流放热

C,n为常数;Gr为格拉晓夫准数;Pr为普朗特数;L为特点尺寸;g为重力加速度;β为体膨系数;v为运动粘度;△t为流体与壁面温差。

常数C,n取值与流体流动性质、面朝向有关。

强迫对流放热

（处于层流状态）

（处于紊流状态）

Re为雷诺数;Pr为流体的普朗特数;Prw为壁面温度时的普朗特数;K为校正系数;L为特点尺寸;

接着介绍目前世界上各大机床厂关于机床热变形因应方法，美国的Hardinge汉廷机床厂的应付方法是将冷空气以轴向方式吹入主轴头中，且主轴设计成对称形状，使其对称与Y轴与Z轴，以取得适当重量平稳及最大温昇稳固度，那个设计将确保主轴中心线固定在必然的位置上，并利用围绕式冷却水装置，以确保将主轴均匀降温，使主轴加速达到热平稳。

而日本的MoriSeiki（森精机）采纳将油冷却器、油压单元与主轴等的热源隔离，关于主轴电动机所产生的热，以冷却管冷却主轴，隔离环境的阻碍，藉以取得稳固的加工精度。

而台湾的YCM永进精机采纳对称设计，并加装散热孔及散热风扇加速热的散逸，和采纳分离式双油槽，用以降低冷却液的温昇。

综上所述得知，致使机床热变形的主因，有以下几点：

1切削发烧：

对工件，刀具的变形阻碍较大。

2机床运动副的摩擦热和动力源的发热：

对机床的变形有较大的阻碍。

3辐射及周围环境转变等外部热源：

关于周密机床，周密零件的加工测量

阻碍较为显著。

4切削液，切屑的二次传热：

关于铸件本体阻碍较为显著。

5主轴中的热源：

（1）轴承中的热流量

（2）主轴部件的热流量

（3）主轴皮带传送时产生的热

（4）主轴轴承的冷却部份

估量之研究

（1）提出利用有限元分析软件ANSYS模拟数控车床实际加工情形，通过不断的变化热源载荷，取得机床整机各个节点的温度数据和主轴头部的热位移量，并对数据做适当的处置。

然后利用神经网络对所得的数据进行分析，从当选出阻碍机床热误差的温度关键点。

（2）成立一个准确的计算分析模型。

在现有的工作中，由于实验仪器和实验手腕的限制，关于机床的结合面的特性未能开展，这会阻碍到计算模型的精准性，目前很多文献也在作这一方面的研究。

（3）关于机床热特性的基础上，能充分考虑阻碍热变形的因素，并给出一些合理的优化方案来减缓机床因为热变形带来的精度误差。

利用仪器来测试并给以热补偿，保证加工精度。

（4）研究减小机床系统热变形的其他技术方法。

如设计冷却系统操纵轴承的温升、改善散热，采纳热误差补偿降低主轴箱与主轴间的相对位移等。

参考文献

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