具有改进的热稳定性的机床和用于改进机床中的热稳定性的方法与流程

本发明涉及通过使工具和工件进行相对移动来对工件进行加工的机床、比如卧式加工中心、立式加工中心、铣床、磨床或立式车床，并且更具体地涉及具有用以防止由于环境温度波动而引起尺寸变形的系统的机床。

背景技术：

1、限制大型机床中的精度的主要因素中的一个主要因素是由内部产生的热和变化的环境条件而产生的热变形。

2、由热变形而引起的热误差可以具有与机床的几何误差相当的数量级，从而严重影响机床的精度。

3、多年来，对不同的误差来源进行了研究，并且据估计，机床的总误差的大约70％由几何误差来源和热误差来源构成。

4、在20世纪60年代，热误差被正式认定为制造零件上的误差的主要来源。产生结构温度变化的三种主要机制是：

5、-由机床内部产生的热。

6、-环境温度变化。

7、-外部辐射源。

8、加工环境内的热效应对机床的结构具有很大影响，并且因此会影响加工零件的精度。任何一种膨胀和收缩都将在机床中产生扭曲并影响机床的定位精度。多年来，研究人员已经表明，机床的这种热扭曲可能在精密加工零件中产生所有尺寸误差的40％至70％。因此，温度的任何微小变化都可能对部件的加工质量产生重大影响。

9、机床对这些热效应敏感的主要原因在于，一方面缺少机床结构的对称性，并且另一方面质量分布不均匀。这意味着，在温度变化时，机床的结构组件的尺寸变化是不均匀的。

10、由于质量的不均匀分布，机床的结构本体的不同部分的这种不均匀的变长或缩短以及这些变化的不同速度会导致各部分的扭曲和弯曲。

11、图8示出了立式车床的横轨道和两个柱在升高的温度下的示意图。可以看到，金属的膨胀特别地致使横轨道在xz平面和xy平面中拱起。

12、图9示出了对安装至立式车床的铣削头的工具的梢部在暴露于10℃的温度变化时在24小时的时间段内沿x方向、y方向和z方向的位移的模拟的定量结果。图10以图形的方式示出了相同模拟的结果。彩色图示出了立式车床的结构上的变形分布，使得可以观察到，最大的变形发生在车床的顶部处、特别是横轨道中。

13、为了克服这些缺点，已经公开了不同的解决方案。

14、ep3222385 b1教导了一种用于补偿工具的中心与转动台的轴线之间的未对准的方法，该方法包括使铣削头沿着铣销头支承件中的导引件移动，其中，导引件使铣销头同时沿z方向和y方向移动，并且相对于zx平面具有0.5°至1.5°的角度。这种解决方案在其可以补偿的位移范围方面受到限制并且依赖于铣削头能够在z方向上移动。

15、cn208276515u教导了一种用于补偿矿产品车床床身中的热误差的方法，该方法包括使用嵌入在车床床身中的冷却管线并且将车床床身的内部材料改变成具有较低的导热性和较低的热收缩性中的一者。然而，如该文献在段落[0029]中解释的，该方法旨在对因机床的操作而导致的局部温度升高进行补偿。此外，这种冷却不局限于导致机床未对准的关键区域。

16、ep1 364 741a1公开了一种机床，该机床包括限定了基部的床身以及安装在床身的后部部分中的柱。在柱的前部面上安装有主轴头。柱包括内部空间，该内部空间允许液体进行循环以维持柱的温度，而不管室温的任何变化。

技术实现思路

1、本发明的第一方面涉及一种机床，该机床包括：

2、-工件支承件，该工件支承件用于支承至少一个工件以允许对工件进行加工；

3、-支承结构(例如，一个或两个竖向柱)，该支承结构包括工具承载件支承件(例如，主轴头)，其中，工具承载件支承件对工具承载件(例如，主轴)进行支承，该工具承载件构造成用于对工具进行承载和驱动，以用于通过由工具支承件支承的工件与工具之间的相对运动来对工件进行加工。

4、根据本发明，该机床包括构造成允许空气在封闭回路中流动的导管，导管包括地面部分和地下部分，地面部分是支承结构的内腔，并且地下部分包括构造成埋在结构下方的土壤中的管线。

5、空气可以借助于风扇或者任何其它合适的驱动装置在封闭回路中进行再循环。

6、地面部件的内腔可以包括用以防止导管内部的空气逸出的密封装置。内腔还可以包括管道或管线。地下部分的管线也可以被密封。

7、借助于对流，空气使导管的两个部分、受环境温度影响的地面部分和埋在土壤中处于更加稳定的温度下的地下部分热接触，并且因此降低了受空气在地下部分中流动通过其中的地下土壤的较低温度梯度影响的地面部分的温度梯度。

8、机床的结构本体传统上由铸铁或焊接钢制成。在这两种情况下，它们通常是主要包括作为壳体的外表面以及“中空”内部的结构，其中包括加强件或肋部，以改善部件的结构性能，同时结合尽可能少的重量。

9、根据本发明，导管的地面部分是支承结构的腔(形成支承结构的结构本体的中空内部)，使得空气的温度稳定效果直接影响机床的结构(形成支承结构的结构本体的金属外壳)，并且因此实现了机床的热变化的减小，从而导致机床结构中更大的尺寸稳定性，并且因此提高了加工期间工件的精度。

10、在一些实施方式中，地下部分包括蛇形管。

11、在一些实施方式中，地下部分包括嵌入在机床的基座中的管道。

12、在一些实施方式中，地下部分被埋入大于1m，并且优选地被埋入5m至10m。

13、在一些实施方式中，地下部分的长度大于10m，并且优选地大于20m。

14、在一些实施方式中，支承结构包括两个竖向柱，这两个竖向柱通过横向横梁连结成使得至少一个横向托架能够沿着横向横梁在水平方向x上移位，而工具承载件支承件安装在横向托架中并且能够在竖向方向z上移位。在这些实施方式中，导管的地面部分由竖向柱中的内腔和横向上横梁中的内腔形成。

15、本发明的第二方面涉及一种用于改进机床中的热稳定性的方法，该机床包括：

16、-工件支承件，该工件支承件用于支承至少一个工件以允许对工件进行加工，

17、-支承结构(例如，一个或两个竖向柱)，该支承结构包括工具承载件支承件(例如，主轴头)，其中，工具承载件支承件对工具承载件(例如，主轴)进行支承，工具承载件构造成用于对工具进行承载和驱动，以用于通过由工件支承件所支承的工件与工具之间的相对运动来对工件进行加工。

18、根据本发明的方法包括以下步骤：

19、-在支承结构中提供内腔，

20、-将管线埋在结构下方的土壤中，

21、-形成具有地面部分和地下部分的封闭导管，并且其中，地面部分包括支承结构的内腔，并且地下部分包括埋在结构下方的土壤中的管线，

22、-提供用于使空气在导管内部的封闭回路中移动的驱动装置。

23、在一些实施方式中，支承结构(1)包括两个竖向柱(11)，这两个竖向柱(11)通过横向横梁(12)连结成使得工具承载件支承件(2)安装在能够沿着横向横梁(12)在水平方向x上移位的托架(14)上，同时工具承载件(21)安装在工具承载件支承件(2)中并且能够在竖向方向z上移位。在这些实施方式中，封闭导管形成为具有包括竖向立柱(11)中的内腔(311)和横向上横梁(12)中的内腔(312)的地面部分，并且地下部分包括埋在结构下方的土壤(4)中的管线(32)。

24、机床可以是卧式加工中心、立式加工中心、铣床、磨床或立式车床。