高速高精度机床热分析与热设计技术_高建民

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1、高速高精度机床热分析与热设计技术1，21，21，21，2高建民，史晓军，许艾明，赵博选（1.西安交通大学机械工程学院，西安710049；2.西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安710049）[摘要]随着机床高速高精度的技术发展，热问题已成为影响机床特性的重要因素。从提高机床的固有热性能出发，系统介绍了机床热特性分析、热结构优化及其冷却技术的理论和方法，以及国内外研究现状，并探讨了机床“热设计”理论与技术的最新进展和未来研究重点及趋势。[关键词]高速高精度机床；热特性分析；热结构优化；冷却技术[中图分类号]TG502[文献标识码]A[文章编号]1009

2、-1742（2013）01-0028-06床的热性能。虽然人们自20世纪40年代就已开始1前言对机床热特性进行研究，但是由于传统机床在精度随着数控机床整机及零部件设计、制造、装配和速度上没有现代制造要求的这么高，热问题不严和材料等相关技术的不断进步，几何误差、刀具磨重，且由于机床及其部件类型和负载的多样性、结损、伺服等误差在数控机床整体误差中所占的比例构的复杂性以及机床温度场和热变形受多种因素[1]逐渐减小。在高速高精度极端加工条件下，热变的影响，故其研究一般都是针对具体机床，采用实形日益成为影响机床加工精度的重要因素。大量验研究法或数值模拟法，分析机床的各种热

3、源及其研究与加工实践表明，对于高速高精度机床，由热对机床温度场的影响，在机床热设计方面就形成了变形引起的加工制造误差所占的比例为40%～“头疼医头、脚疼医脚”的现象，没有形成系统的理[2]70％，热问题已成为影响机床精度的关键因素。论、方法和分析工具，这显然与当前机床高速高精为了减小机床热变形对加工精度和精度稳定性的度发展的要求不相适应。影响，需要从设计、制造和使用等方面进行综合分机床热设计的核心目标是最大限度地控制温析与优化。减少机床热误差的主要方法有两种：一升，减小热变形，为部件级、组件级和系统级提供良是在设计阶段提高机床的热特性；二是在运行阶段好的热环境，

4、保证它们在一定的热环境下，按预定[3]对机床进行热误差补偿。目前最常用的是在数控的要求可靠地工作。机床热设计一般分为两大类，系统中根据热变形进行热误差补偿。热误差补偿一类是机床结构的热平衡与优化设计技术，另一类法在一定范围内可提高加工精度，有助于降低设计是机床高效冷却技术。制造成本。但是，它是一种被动的和事后补偿的方2机床结构的热平衡与优化设计技术法，其补偿范围和有效性具有一定的限制。当一个机床的热特性比较差的时候，仅靠事后的热补偿是日本东京大学的佐田登志夫等把机床热变形无法满足加工精度要求的。要提高机床的精度和看作是由于温度变化而引起的机床结构刚度不足，热性能

5、，必须在设计阶段，从提高机床的热特性、热提出了“热刚度”的概念，并将机床的静刚度、动刚[4]刚度入手，实现机床的主动热控，从根本上提高机度和热刚度这3个方面的问题统一起来研究。机[收稿日期]2012-10-20[基金项目]“973”国家重点基础研究发展计划资助项目（2003CB314801）[作者简介]高建民（1958—），男，陕西韩城市人，教授，博士生导师，主要研究方向为机械制造及自动化、产品热分析与热设计以及制造信息化；E-mail：gjm@xjtu.edu.cn28中国工程科学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

6、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[5]度优化提供了依据。机床所有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，以弯图1热亲和概念图曲、扭转等热变形的位移量为目标函数，以提高部件Fig.1Thermo-friendlyconceptdi

7、agram和机床整体的热刚度为目标进行优化设计。机床在注：TAS-C为环境热位移控制；TAS-S为主轴热位移控制热设计时需要根据机床的热特性从机床的主要热变吉田嘉太郎在1973年提出了“热中性轴”的概形部分入手，即注重关键发热区域和热敏感部位，常念，他认为主轴热位移会因主轴箱内热源和支撑方见的如主轴的热膨胀、主轴箱的热变形、滚珠丝杠的式的改变而不同，因此应该设法寻求在机床热变形热伸长以及立柱的热倾斜等，通过对这些关键部件状态下，保持主轴位置不变，从而提高机床的热精进行结构热平衡设计，进而把握机床整体的热变度。后来他将这一概念进一步发展为“热对称面”形，再进行整体

8、优化、均衡结构和对称结构