铝横梁热膨胀对激光切割机运行精度的影响及改善措施

发布时间：2024-04-23 15:29:17

　　1.铝横梁热膨胀对激光切割设备运行的不利影响

　　激光切割机主体结构普遍采用钢质床身、铝合金横梁。钢质床身很好的满足了激光切割机刚性及稳定性的要求;铝合金横梁密度小、重量轻、惯性小，能够很好的适应高速度切割、快速转向的要求。因而钢质床身、铝横梁成了激光切割机的标准配置。但是这种钢、铝搭配的主体结构也并非只有优点，也存在着比较明显的隐患，若不采取有效措施，会给激光切割机切割精度、运行稳定性带来极其不利的影响。

　　众所周知，所有材料的外形尺寸都会随着温度的变化而变化，即热胀冷缩，但不同材质的热膨胀系数是不同的，钢和铝制品的热膨胀系数相差就比较大。据资料可知:钢铁材质的线膨胀系数约为11X106/℃，就是在1米的长度上，温度变化1摄氏度时长度变化0.011毫米，简记为:1米1度1丝;铝质材料的线膨胀系数约为23x10-/℃，简记为:1米1度2丝。铝制品接近钢铁制品线膨胀系数的两倍，钢、铝制品随温度变化的相对伸缩量约为1米1度1丝。当环境温度发生变化时，钢、铝配合件会因实际伸编量不同而产生热膨胀应力和相对位移，相对位移出现在关键位置会对工作精度和安全性产生不利影响。下面做一下具体分析。

　　1.1.横梁与导轨、齿条的配合横梁是切割机主要的运动部件，通常是铝制的，横梁上面安装的导轨和齿条是钢制的。横梁长度通在2米以上，导轨长度与横梁相当，齿条是拼接的，通常每根齿条标准长度是1米。前面已经说过，钢、铝制品在温度变化时热膨胀系数存在明显差异，在我国，平均昼夜温差在10℃左右，寒暑极限温差可达40℃以上。这样，在2米长的横梁上，由昼夜温差导轨和横梁产生的相对伸缩量达到0.2mm，每根齿条产生的相对伸缩量也有0.1mm。前期由于导轨和齿条被螺栓紧紧的紧固在横梁上，相对伸缩量在较短时间内不一定会产生相对位移，只是在配合面处产生较大的热应力。

　　随着时间的推移，昼夜交替，气温周期性变化导轨和齿条的紧固螺栓反复受到两个方向上的交互作用力，久而久之，必然会造成螺栓松动，最终使导转和齿条产生相对位移。齿条紧固螺栓松动后齿条的相对伸缩量会造成齿条对接缝隙发生变化，昼夜温差可造成齿条对接缝隙0.1mm左右的变化量，，寒暑极限温差可造成0.4mm 以上的齿条对接缝隙变化量，这足以对X轴定位精度和运行稳定性造成严重的不利影响。

　　1.2.横梁与床身的配合横梁不仅仅与自身导轨、齿条相配合，还与安装于床身两侧的导轨、齿条相配合，通过驱动电机完成Y轴运动。当环境温度发生变化时，铝制横梁和钢质床身之间同样存在伸缩差，而且尺寸更大，由温度变化造成的相对伸缩量也就更大。同样由昼夜温差带来的相对伸缩量可造成相关联部位紧固螺栓的松动以及固定部件相对位置的偏移;寒暑极限温差可造成极限的固定位置的偏移。横梁两端的Y轴驱动电机跨距-般在2米以上，所产生的极限相对伸缩量可达0.8m以上，平分到端可产生0.4mm 的位移(实际情况是几乎不可能平分的)，对应0.4mm 以上的齿轮/齿条啮合间隙，能够严重降低Y轴定位精度，而且超过0.4mm的啮合间隙使Y轴高速换向时产生冲击，严重降低传动齿轮和齿条使用寿命。

　　综上所述，周期性的昼夜温差对钢、铝连接处紧固螺栓有松弛作用;伴随季节变化的温差可使钢、铝配合件产生明显的相对位移，当这种位移积累到一定程度则足以对设备工作精度带来不可忽视的影响甚至存在安全隐患。

　　一般情况下，这种由于钢、铝线膨胀系数差异对激光切割机精度造成的不利影响是逐渐显化的，因为昼夜温差对紧固螺栓的松弛作用需要一定时间进行积累，环境温度随季节的转换也是缓慢变化的。但存在如下例外情况：

　　①当设备产地与用户使用地纬度相差较大、气候温度相差较大时，设备一到用户现场，较大的环境温差会造成较大的热膨胀应力，昼夜温差的松弛作用会被加速，产生的相对伸缩量就会在短时间内对切割精度带来显著的影响，甚至影响到设备的正常运行。

　　②横梁越长，相当于放大了这种相对伸缩量，对精度造成的不利的影响也就越大。

　　可见，任何事物都具有两面性，我们在汲取其长处的同时切不可忽视其可能存在的消极的一面。正如激光切割机普遍使用的铝合金横梁，在充分发挥其密度小、惯性小的优良特性,满足激光切割设备高速切割、灵活转向的要求的同时，也要考虑到铝质材料有一个固有特性，就是热膨胀系数大，约是钢铁件的两倍，当温度变化时与之相配合的钢铁件之间就会产生膨胀应力和相对移位，对设备运行精度会带来十分不利的影响。

　　在激光切割设备处于进入市场的成长阶段，由于其相对于传统切割技术的巨大优势，市场定位于替代传统切割，对切割精度并没有过高的要求，对铝合金横梁的负面作用容易被忽视。随着激光切割应用领域的不断拓展、市场竞争的日趋激烈，对切割精度的要求也逐渐提高，铝合金横梁与钢质部件热膨胀系数的差异对设备运行精度造成的不利影响也逐渐得到重视,已有激光设备制造企业开始采用钢质横梁来取代铝合金横梁,这就舍弃了铝合金横梁轻便灵活的优良特性是非常可惜的。因此，采取措施避免铝合金横梁热胜冷缩对激光切割精度的不利影响刻不容缓。

　　2.改进措施

　　在长期的工作实践中，机械工程师们已经充分认识到热膨胀系数相差比较大的材料在互相配合时可能带来的危害，所以在设计和实际制造设备时尽量避免这种组合，实在无法避免时，也会采取措施来避免热膨胀系数差所带来的不利影响，最常用的就是“补偿法”。所谓“补偿法”就是在热膨胀系数较大的工件侧串联一个合适长度的低膨胀系数件，用以抵消较大的热变形量。显然本文中探讨的激光切割机横梁并不适用“补偿法”。

　　笔者始终相信:一定会有一种方法来有效的避免铝横梁热膨胀对加工精度造成的影响。经过长时间的局蔫统于有:安纳策强通是及饰防挂流览白窟、防护服还是区域封控隔离，目的都是阻断病毒的传染路径，控制疫情传播，事实证明收到了比较好的防控效果。受此启发，笔者就想:既然铝合金热膨胀系数是它的固有特性，无法改变，如果能设计一种结构把铝合金较大的热身缩量同设备的关键部位“隔离”开来，阻断这种不利影响向关键部位的传递，也就达到了避免铝横梁热膨胀对加工精度的的目的。有了思路事情就容易多了。经过反复设计、仔细推敲，最终得出了一种隔离式结构，很好的避免了铝横梁热膨胀对设备运行精度的影响，为了记住这次疫情防控措施对笔者带来的启发，对此隔离式结构所采用的方法称为“隔离法”。

　　2.1.隔离式结构的具体做法

　　2.1.1横梁与其导轨、齿条配合:改变原来直接在铝横梁上相应安装面上安装导轨、齿条的方式，先在横梁上安装导轨、齿条的部位分别加工出安装槽，把经过预加工的带钢安装在槽内，用螺钉紧固到横梁上，然后把横梁与其它加工面按要求进行加工，保证加工精度。装配设备时分别把导轨和齿条安装到带钢加工面上，调整好需要的精度，用螺栓紧固。

　　2.1.2横梁与床身配合:在横梁与床身连接部分，去掉横梁两端与横梁一体的连接底板，分别用钢板按设计要求加工成独立的底板，底板上分别加工出滑块安装面、驱动电机安装面和与横梁主体的连接固定面等。装配时把加工好的钢制底板通过滑块固定孔紧固到床身导轨滑块上，再用螺栓与横梁连接，安装好所有设计要求的部件，按装配要求调整好精度。

　　2.1.3经过以上两条的结构改进，在热膨胀系数较大的铝横梁与精度要求较高的部件之间增加了一个隔离式结构--带钢和底板。有了这个隔离式结构,当环境温度变化时，铝横梁产生的相对伸缩量被限制在横梁与隔离结构的结合面上，避免了对关键部件的推动和牵拉，从而避免了铝横梁热膨胀对加工精度造成的不利影响

　　2.2.隔离式结构的作用原理:

　　2.2.1众所周知，如果两种热膨胀系数相差较大的物体被紧紧的压在一起，环境温度发生变化时，于热伸缩量的不同，在结合面处会产生膨胀应力，当应力足以克服结合面静摩擦力时,就会发生相对位移这也是铝横梁影响设备工作精度的根本原因。

　　2.2.2当增加了隔离式结构后，就增加了一个可以分流热伸缩量的结合面(如下图)。理论上温度发生变化时,两个结合面均存在发生相对位移的可能性。如果仅仅贝能部分分流热变形产生的位移隔离式结构的作用形同鸡肋。下面深入分析一下两个结合面在温度变化时的实际位移情况。

　　不难看出,形成两个结合面的金属材质是不同的。结合面①是由两个钢质结构件形成的接触面，结合面②)则事由钢和铝合金材质形成的接触面。

　　先看结合面①，两个钢质件用螺栓紧固在一起，由于同属一种材料，材料的互溶性会使摩擦副产生黏着现象，使摩擦力增大;而且同种材料不存在热膨胀系数的差异。热膨胀系数相同，昼夜温差的周期性变化不会对紧固螺栓产生松弛作用，随着时间的推移摩擦副的压紧力也不会有明显的降低，由以上分析可以得出:结合面①的摩擦力较大，且不会受温度变化的影响。

　　再看结合面②，结合面两侧分别为钢和铝合金材质，属于两种不同的材质，相容性较低，不存在由互溶而产生的黏着现象，没有增加摩擦力的作用:两种部件材质热膨胀系数相差较大，昼夜温差的周期变化对紧固螺栓的紧固力有松弛作用，随着时间的推移摩擦副的压紧力会逐渐降低，导致摩擦副的摩擦力逐渐降低。

　　由以上对比分析可以得出:结合面②小于结合面①的摩擦力;结合面②摩擦副紧固力会随着时间的推移逐渐降低。所以，当热膨胀应力足以克服摩擦力时会在结合面②产生滑动，一旦结合面②出现滑动，散摩擦力就变成滑动摩擦力，摩擦力进一步减小，热腹胀应力得以释放，结合面①所受应力减小，不会产生相对位移，设备的关键部件得到有效保护，热膨胀不会影响设备运行精度。

　　在具体设计时可以利用有益的结构来降低结合面②)和增加结合面①的摩擦力，来确保热膨胀位移只出现在结合面②，强化对结合面①的保护作用。

　　2.3.隔离式结构的有益效果

　　2.3.1铝合金横梁与导轨、齿条连接。该部位隔离结构是增加的带钢，带钢上部是示意图所示的结合面①，下部是结合面②。由前面分析可知，当环境温度变化时，横梁热胀冷缩产生的相对伸缩量全部在经合面②释放，并不会对结合面①带来影响，如此一来,导轨、齿条不会收到横梁热胀冷缩产生的挤压与拉伸，固定螺栓就不会松动，对接处缝隙也不会发生变化，从根本上避免了横梁热胀冷缩对导轨、齿条的运行精度造成的不利影响。

　　2.3.2铝合金横梁与床身导轨滑块的连接。此部位隔离结构是经过改制的横梁底板，原横梁底板是与铝合金一体结构的底板，经过隔离法改进，把底板与横梁分开做成单独结构的钢质件，钢质底板具备原横梁底板的全部功用，而且还赋予了隔离功能。横梁底板下部是示意图所示的结合面①，上部是结合面②。同样由前面分析可知，当环境温度变化时，横梁热胀冷缩产生的相对伸缩量全部在结合面②)释放，并不会对结合面①带来影响。当横梁由于环境温度变化产生相对伸缩量时，横梁底板并不会收到横梁的推动而发生位置移动，固定在底板上的驱动电机和传动齿轮就不会出现位置的变化，固定驱动电机的螺栓也不会受到昼夜温差的松弛作用而出现松动，这样，传动齿轮、齿条的啮合会长时间保持在良好状态，不会因铝合金横梁的相对伸缩而产生间隙过大和啮合过紧，避免了环境温度变化对设备定位精度的不利影响。

　　3.结论

　　铝合金具有相对较大的热膨胀系数，铝合金横梁随环境温度变化产生的相对伸缩量会影响激光切割机的长期运行精度。隔离式结构虽然不能从根本上改变铝合金横梁的热膨胀特性，却可以运用巧妙的结构把铝合金横梁的热伸缩量同设备关键部位隔离起来，避免了对设备运行精度带来的不良影响。

　　隔离式结构具有结构简单、易于实现等优点，经以上技术分析证明其具有可靠的理论依据和良好的技术可行性。当然，隔离式结构的实际应用效果还需要生产实际进行验证。如能成功应用于实际设备，并经过不断优化改进，必将成为提高铝合金横梁激光加工设备运行精度的有效途径，为铝合金横梁在激光切害设备中继续发挥其优良特性提供了可靠保证。