数控机床精度的保持性与冷却技术

数控机床精度保持性衰退原因和提高措施因结构形式的不同而不同。主轴部件因高速旋转，既不同于直线进给轴的运动形式，又与旋转进给轴速度差别较大，因此，本文将主轴精度单于几何精度之外，作为一项单的精度指标。除主轴精度外，轴线的几何精度是机床精度的基础，而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度。为了便于找出精度衰退的原因，把机床精度分成三个部分：主轴精度、几何精度和运动精度。

本文针对国产数控机床精度保持性存在的问题，从主轴精度、几何精度、运动精度及整机精度监控四个方面分析了国产数控机床在设计、制造和使用阶段造成精度保持性差的原因及解决方法，回顾了目前国产机床精度保持性的研讨现状，并给出了提高国产数控机床精度保持性的建议。

主轴在设计阶段的主要任务是完成结构方案、分配零部件公差及确定零件间的配合；在制造阶段的主要任务是合理地施加预紧力，保障主轴刚度，限制主轴温升。国产主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合，在制造时根据经验选择预紧力，缺少科学计算的指导。使用时，主轴的温升会造成轴承间隙、预紧力的变化，如果在设计、制造时考虑不充足，就会造成轴承的非正常磨损。密封、润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损。

因此，造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为：设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小、密封及润滑结构不合理，以及制造阶段预紧力过大或过小。

一、进给系统冷却技术：

滚珠丝杠副处于进给系统传动链的末级，起到精密传动和定位的作用，是数控机床和加工中心的关键部件，它的传动误差将直接影响到机床的定位精度。在滚珠丝杠高速化后，由于存在滚珠之间、滚珠与滚道以及两端支撑轴承和驱动电动机多处摩擦作用，滚珠丝杠温升不可避免。而且滚珠丝杠为细长件，温升会降低丝杠的轴向刚度并造成丝杠热伸长，影响定位精度。从设计方面改进滚珠丝杠的热特性主要采用3种方式。

1)将丝杠预拉伸，预拉伸量可略大于热伸长量，以提高丝杠的轴向刚度和减小丝杠启动和停止瞬间弹性变形。

2)加大散热的强制冷却的结构设计，如空心丝杠、螺母冷却结构和支撑轴承的冷却结构。

3)选择适当赫度指数的润滑油及充足供油以减小摩擦力矩。

二、主轴冷却技术：

高速、精密数控机床主轴系统多采用电主轴，但高速电主轴的本身结构存在散热缺陷。这是因为高速电主轴的电机内置、外壳封闭，使得电机和轴承产生的大量热量难以快速排走，且轴承的发热量随主轴转速的升高而增加，导致主轴和轴承均产生变形。因此，控制温升、减小电主轴热膨胀是电主轴的主要问题。学者对电主轴热特性进行了大量研讨，改进主轴热变形的冷却措施主要有如下几个方面。

1、均衡温度。对主轴热源不易控制的场合，提高热源附近温度，使主轴温度较高位置的热量尽快传递到温度较低的位置，快速均衡主轴各部位温度来减少热误差。

2、改进冷却设计。高速主轴传统的冷却方式是在主轴壳体螺旋孔道内加冷却油进行强制对流冷却，并不断循环将热量带走。但这种方式冷却速率低，无法直接带走主轴轴芯和转子的热量。为了进一步降低电主轴轴芯的热膨胀，研讨人员设计了采用轴芯冷却设计的电主轴。由于热管具有高速的导热性、温度的均匀性及结构的多样性等特性，近年来被普遍应用于对高速电主轴的壳体和轴芯进行冷却。

轴承是主轴系统的主要热源，也是机床的主要失效部件。轴承发热主要是由于接触摩擦生热，包括滚动体与内外滚道的滚动和滑动摩擦、保持架与套圈引导面之间的滑动摩擦、滚动体与保持架之间的滑动摩擦、滚子端面与挡边之间的滑动摩擦以及润滑剂粘性摩擦。如果轴承得不到润滑冷却，随着热量的积聚，就会因内部工作温度过高而造成轴承失效。低速轴承主要靠润滑液冷却，高速轴承主要有3种冷却方式，即喷射润滑、环下润滑和油雾润滑。其中环下润滑用油量少，且减小了轴承的搅油功率损耗，冷却效果较好。随着对润滑、冷却要求的不断提高，油气润滑成为较加理想的润滑方式，可对轴承内外圈和滚珠进行强迫对流冷却。现阶段轴承冷却方法有3种方式。

1、改进冷却油注入方式。将油从均匀分布的管道和喷油口喷出，通过提高流速和油的利用率让冷却油充足到达转子，形成均匀的油膜，从而降低轴承温度，提高轴承寿命。

2、带有冷却室、冷却水道的轴承座。

3、设计低温轴承结构。轴承保持架的导向区被准确地定位在离心力对润滑剂作用较大的地方，保障重要摩擦接触区域有可靠的润滑剂供应。

三、高速切削刀具冷却技术：

高速切削时的切削速度是传统切削速度的5~10倍，主轴转速高达万转甚至十万转每分钟，切削速率高，且切削力降低，适合加工精密零件。但高速切削会产生大量切削热，会影响刀具寿命和加工精度。影响切削温度的主要因素有切削参数(切削速度、切削厚度和刀具前角)、刀具与工件的导热性能以及刀一屑、刀一工件的摩擦系数等。切削热包括切削层金属的剪切变形热、切削底层金属的摩擦挤压变形热和已加工表面上的摩擦挤压变形热，切屑发生塑性变形所消耗的功率主要转化为热量，进而形成切屑加工热。

高速切削过程是一个复杂的动态过程，包含弹塑性变形、大变形和高应变率以及很高的切削温度和复杂的摩擦条件。以弹塑性大变形分析为基础，采用热一应力祸合分析和热弹塑性分析等有限元数值模拟方法将会推动对高速切削过程热行为的研讨。基于三维的热有限元建模，针对不同刀具材料、不同加工方式和冷却方式的刀具切削性能的分析将是未来研讨的主要。

目前，干式切削、液氮冷却切削、水蒸气冷却切削、气体射流冷却切削、低温风式冷却切削以及较小量润滑切削等几种绿色切削冷却方式日益受到人们的重视。上述冷却方式在成本、实现难易程度上各有不同，多种方式还处于理论机理研讨和实验研讨的阶段，应用不多。设计者应权衡利弊，针对特定机床与环境选择恰当的冷却方式。但总体来说，绿色切削技术可以提高刀具使用寿命及加工质量，且对环境洁净，对人体健康无害，在实际应用中取得了良好效果，是金属切削加工领域今后的发展方向。目前，高速(很高速)干式切削技术和开发没有污染的生态切削液是绿色切削技术的发展主要。

在刀具冷却技术方面，目前提出了的带冷却液通道的刀具。在冷却液方面，水基液的冷却效果良好。针对不同冷却液有很多研讨人员通过实验改良冷却液成分，以期得到较佳的冷却效果。冷却液的渗透性和加注方位与流量是影响冷却液冷却效果的两个关键因素。研讨了采用特别波处理等技术提高冷却液渗透性来提高冷却效果。为了使用少的冷却液实现较佳的冷却效果，研讨了加注方位和流量的影响。