[发明专利]一种内喷式冷却主轴精度自愈方法

说明书

本发明公开了一种内喷式冷却主轴精度自愈方法，属于数控机床主轴热变形技术领域。建立热电制冷器电流与机床状态参数、机床关键点温度之间的关系模型，并据此制定内喷式主轴温度场主动控制策略函数和主动控制系统；在主轴自愈时，根据关键点的温度值和机床运行状态，实时改变热电制冷器的输入电流，进而对机床温度场进行控制进而实现热倾斜误差的自愈。该方法采用热电制冷器作为主动热控制器，通过建立热倾斜误差模型和主轴自愈控制策略能够主动控制内喷式超低温加工机床热倾斜误差控制敏感点的温度，实现内喷式主轴精度自愈，具有准确性高、鲁棒性好、反应迅速的优点，解决了内喷式超低温加工机床热倾斜误差难题，提高机床的加工精度。

技术领域

本发明属于数控机床主轴热变形技术领域，特别涉及一种内喷式冷却主轴精度自愈方法。

背景技术

在航空航天等领域，为满足极端工况下的高使役性能要求，高端装备中的核心零部件广泛采用以钛合金、复合材料为代表的先进材料。但是，上述材料往往呈现出高粘、高韧、低热导率等难以加工的特性，加工中切削温度高，乳化液冷却效能明显不足。实验表明对切削局部区域施以超低温介质如液氮，能够有效降低钛合金等难加工材料在切削加工中极高的切削热，改善材料切削性能、提高刀具寿命，并代替传统切削液，实现绿色制造。这种采用液氮作为冷却剂、润滑剂的切削方式称为超低温切削。超低温冷却介质的施加方式主要包括刀具外喷淋冷却和刀具中内喷式冷却。外喷式冷却是基于常规冷却的设计思路，利用外置喷嘴对切削点的外围区域进行漫灌式冷却，在现有条件下较容易实施，然而冷却介质利用率往往较低、机床功能集成性较差。内喷式冷却是将液氮等超低温介质通过主轴和刀柄的内腔通道引导至刀尖处，实现对切削点的直接定量冷却，冷却效能高，提高了冷却介质利用率，势必成为超低温加工技术的发展趋势。在内喷式冷却技术上发展而来的内喷式冷却机床也成为提高超低温切削性能的关键装备，2010年美国MAG公司研制出迄今为止唯一商用的液氮内喷式超低温冷却机床并成功应用于F35的零件制造中。

此外，数控机床逐渐向高速、高精方面发展，但是精密数控机床在运行中由于受到内、外热源的耦合影响，致使工件与刀具之间相对运动关系遭到破坏，从而降低了机床的加工精度。而对于超低温冷却加工机床，由于主轴内部通入了超低温介质导致机床主轴内、外热源发生变化，温度场分布、热变形行为也同样发生变化，这导致其热变形行为和传统数控机床的热变形行为存在很大的差异。据统计，对于高速、高精度机床，由热变形引起的加工制造误差所占的比例达到40％～70％，因此，研究超低温冷却加工机床的内喷式冷却主轴的热变形行为对于保证超低温冷却加工机床的加工精度、提高使用性能极为重要。

目前控制热误差的方法主要有两种：误差防止法和误差补偿法。误差防止法是通过设计、制造等手段消除或减少机床的热误差，如采用丝杠-螺母或床身冷却方式、机床热对称结构设计等。对于轴向热伸长误差热误差补偿方法取得了很好的效果，但是补偿方法在径向热漂移误差的补偿上作用有限，不能从根本上解决因为机床主轴箱热弯曲产生的热倾斜误差，而内喷式冷却主轴的热倾斜误差又十分明显，对机床加工精度影响较大。因此，提出一种可解决内喷式冷却主轴热倾斜误差的精度自愈方法与主动热控制装置十分关键。

2006年高卫国等人在发明专利CN201310115537.8中公开了一种精密机床温度场主动控制系统及方法通过对分层独立多点温控系统控制实现对机床各部位的分层独立温度控制。2019年，高卫国等人在发明专利CN201910939356.4中公开了一种模拟机床结构热变形的测量装置及测量方法,针对机床床身、立柱等大型结构件的热变形测量，该装置可以满足简单、高精度的检测要求,适合中高档数控机床的结构热变形检测。但以上发明专利均未涉及用于研究超低温冷却加工机床主轴热倾斜误差精度自愈方法。

发明内容

本发明解决的主要技术问题是针对传统热误差补偿方法无法彻底解决内喷式超低温加工机床内喷式冷却主轴热倾斜误差，利用主动热控制装置，提出一种可解决内喷式冷却主轴热倾斜误差的精度自愈方法。

本发明的技术方案：