第1章 绪论
1.1 概述
大型精密机床是主要采用切削或磨削或特种加工方法加工大型工件，使之获得所要求的几何形状、尺寸精度和表面质量的机床，经过不断改进，其形式和种类不断增加。目前，机械零件仍主要依靠切削加工，从而达到设计的加工精度和表面质量。金属切削机床的精度及其保持性，不但与它的静态特性相关，也与它的动态特性相关，还与它的热态特性相关。美国劳伦斯·利弗摩尔国家实验室J.Bryan教授于20世纪90年代在“International Status of Thermal Error Research”报告中指出，“自从20世纪中叶发表有关机床与热关系方面研究工作以来，尽管研究成果逐渐丰富，但在生产实践中的应用非常少见。此后，计算用计算机、激光干涉仪、精密加工用的金刚石机床，以及具有快速误差自动补偿功能的检测设备已经出现，并且误差补偿能力不断提高，但是由于热变化引起的热变形，一直是引起降低加工精度误差，降低设备精度保持性的主要因素；一般地，机床热变形引起的加工误差，占全部加工误差总和的40%～70%。” RWTH Aachen 大学M.Weck教授在他的研究成果中提到，“热变形研究的重点是降低机床结构对热和热传导敏感性。”随着检测尺度的不断提升，纳米技术在工业中的广泛应用，对精密加工精度的要求越来越高，机床热变形问题急切需要解决。因此，机床热变形问题一直是精密及超精密加工等领域的重要基础理论问题之一，至今，国内外很多机械制造人员开展机床热变形方面的基础理论和控制策略等方面的基础研究和应用研究。
20世纪30年代，瑞士研究者针对精密坐标镗床的热变形开始研究，20世纪70年代前，研究者对精密机床热误差的分析，只能限于分散的、定性的，而不是定量的分析。20世纪70年代后，随着计算机技术、FEM技术和测试方法与手段的不断进步，机床热变形的研究工作逐渐由定性分析过渡到定量分析，与实际工况越来越接近。特别是在机床热变形基础理论、测试手段和机床结合面及其热传导等方面开展了许多研究，提出了一些减小精密机床热变形的控制策略，比如采用热流检测与热流控制技术、重新设计机床结构、采用新型功能材料和机床热误差检测与反馈补偿等方法，经实际工程应用和生产实践，控制效果较好，热误差减小明显，达到了降低机床热变形的目的。
大型精密机床加工精度影响因素较多，但主要受机床主轴回转精度、机床工作台及床身导轨面的几何精度及其精度保持性的影响，而以上机床大型零部件的几何精度及其精度保持性主要取决于加工床身导轨所用导轨磨床的加工精度及毛坯热处理水平。大型精密导轨磨床经安装和调试后，它的加工精度除了与它装配时的装配精度相关，机床内外热变化对加工精度的影响也十分显著。重庆大学胡立德等采用某机床厂生产的导轨磨床加工M1420外圆磨床床身导轨，并采用导轨精密磨削微机补偿控制方法补偿，由于环境温度变化引起床身V形导轨在垂直面内的直线度误差达8.4μm/1000mm。
为了提高大型精密磨床的磨削精度及其精度稳定性，降低环境热变化对大型精密磨床精度的影响程度，现在一般采取：实时补偿热误差；将精密导轨磨床置于独立的、基本恒温的车间；提高大型精密导轨磨床基础及床身的弯曲刚度。由于大型精密导轨磨床基础及床身的弯曲刚度提高一般要通过增加材料、改变截面结构来实现，因此提高弯曲刚度的幅度不是无限的，只能减小而不能消除热变形。置于普通车间的大型精密导轨磨床，在从秋季向冬季过渡，或从冬季向春季过渡时，由于机床的混凝土基础、床身及其导轨的热影响较大，一般需定期重新调整机床基础上的垫铁和床身，以便保证床身导轨的精度。定期调整机床基础上的垫铁和床身，保证床身导轨几何精度是一项技术含量高、工作难度大、工作时间长的工作，不仅耽误企业生产的正常进行，而且不能长时间保持机床的精度性。将导轨磨床放置在独立的、相对恒温的车间，虽然可以明显降低热变形量，但是由于需保持相对恒温状态，将显著提高制造成本。作者对某一置于独立的、相对恒温车间，瓦德里希-科堡公司生产的30-15S4030型精密导轨磨床的温控费用进行了粗略计算，每年需人民币7万余元。采用热误差在线补偿装置补偿加工系统热变形量是研究的热点和重点之一，但主要存在安装、调试要求高，数据处理和闭环控制响应时间长，环境条件要求高等缺陷，目前在实际生产中应用较少。
是否有更好的解决方法？作者经过长期对热误差对大型精密机床影响规律的反复探索，提出了一种通过合理减小大型数控导轨磨床床身及其混凝土基础纵向弯曲刚度的方式控制周围环境温度变化引起导轨磨床加工精度降低的新方法，并设计、制造了一台采用自准直设计原理的导轨磨床，尽管一直就安装在一个普通环境的车间内加工零件，该机床精度及精度的保持性几乎不变，换季时也不需要再次调整机床床身和导轨。与国内外其他厂家生产的、相同规格的导轨磨床相比，新型自准直导轨磨床的重量减少了75%，刚度减小了很多，机床导轨直线度精度及精度的保持性可达到国内外公认产品——德国瓦德里希-科堡公司生产的数控导轨磨床的技术水平，有关数据参见表1-1。
表1-1 新型自准直导轨磨床与其他同类产品的对比
