溫度變（biàn）化對機床加工精度的影響

熱變形是影響加工精度的（de）原因之一機床受到車間環（huán）境溫度的變化（huà）、電動機發熱和機械運動摩擦發熱、切削熱以（yǐ）及（jí）冷卻介質（zhì）的影響，造成機床各部的溫升不均勻，導致機床形態精（jīng）度及加工精度的變化。例如，在一（yī）台（tái）普通精度（dù）的數控銑床上加工70mm×1650mm的螺杆（gǎn），上午7:30-9:00銑削的（de）工件與下午2:00-3:30加（jiā）工的工件相比，累（lèi）積誤差的變化可達85m。而在恒溫條件下，則（zé）誤差可減小至40m。

再如，一台用於雙（shuāng）端（duān）麵（miàn）磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端麵磨床，在（zài）驗（yàn）收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到mm的尺寸（cùn）精度，彎曲度在全長內小於5m。但連續自動磨削1h後，尺（chǐ）寸（cùn）變化範圍增（zēng）大到12m，冷卻液溫度由開（kāi）機時的17℃上（shàng）升到45℃。由於磨削熱的影響，導致主軸軸頸伸長，主（zhǔ）軸前軸承間隙增大。據（jù）此，為該機床冷卻液箱添加一台（tái）5.5kW製冷機，效（xiào）果十分（fèn）理想。實踐證明，機床受熱後的（de）變形是影響加工（gōng）精度的重要原因。但機床是處在溫度隨時（shí）隨處變化的環境中；機（jī）床本身在工作（zuò）時必然會消耗能量，這些能量的（de）相當一（yī）部分會以（yǐ）各種方式轉化為熱（rè），引起機床各構件的物理變化，這種變化又因為（wéi）結構形式的不同，材質的差異等原因而千（qiān）差萬別。機床設計師（shī）應掌握熱的形成機理和溫度分布規律，采取相應的措施，使熱變形對加工精度（dù）的影響減少（shǎo）到最小。

機床的溫升（shēng）及溫（wēn）度分布、自然氣候影響我國幅員遼闊，大部分地區（qū）處於亞熱帶地區，一年四（sì）季的溫度變化較大，一天內溫差變化（huà）也不一樣。由此，人們對室內（nèi）（如車間）溫度的幹預的方式和程度也不同，機（jī）床周圍的（de）溫度氛圍千差（chà）萬別。例（lì）如，長三角地區季節溫度變化範（fàn）圍約（yuē）45℃左右，晝（zhòu）夜溫度變化約（yuē）5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱，夏天無空調，但隻要車間通風較好，機加工（gōng）車間的溫度梯度變化不大。而東北（běi）地區（qū），季節溫差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至次年4月（yuè）初為供暖期，機加（jiā）工車間的設計有（yǒu）供暖，空氣流通（tōng）不足（zú）。車間內（nèi）外溫差可達50℃。因（yīn）此車間內（nèi）冬季的溫度梯度十分複雜，測量時室外溫度1.5℃，時（shí）間（jiān）為上午8:15-8:35，車間內溫度（dù）變（biàn）化約（yuē）3.5℃。精（jīng）密機（jī）床的加工精度在這樣（yàng）的車間內受環境溫度影響將是很大的。

周圍環境的影響機床周圍環境是指機床近距離範圍內各種布局形成的熱環境（jìng）。

它（tā）們包括以下4個方麵：

1）車間小氣候：如車間內溫度的（de）分布（bù）（垂直方向、水平方向）。當晝夜交替或氣（qì）候以及通（tōng）風變化（huà）時（shí）車間溫度均會產生（shēng）緩慢（màn）變化。

2）車間熱源：如太陽照射、供暖設備和大功率照明燈（dēng）的輻射等，它們離機床較近時可（kě）直接長時間影響機床（chuáng）整體或部分部件（jiàn）的溫升。相（xiàng）鄰設備在運行（háng）時產生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影（yǐng）響機床溫升。

3）散熱（rè）：地基有較好的散熱作（zuò）用，尤其（qí）是精（jīng）密（mì）機床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄（xiè）漏（lòu）時，可（kě）能成為一個（gè）難以找到原因的熱源；敞開的車間將是一個（gè）很好的“散熱器”，有利於（yú）車間溫度（dù）均衡。

4）恒溫：車間采取恒溫設施對精密機床保持精度和加工精度是很有效果的，但能耗較大（dà）。

3、機床（chuáng）內部熱（rè）影（yǐng）響（xiǎng）因素

1）機床結（jié）構性熱源。電動機發熱如（rú）主軸電動機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電動（dòng）機、電控箱等（děng）均可產生熱量。這些情（qíng）況對電動機本身來說（shuō）是允（yǔn）許的（de），但對於主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響，應采取措施予以（yǐ）隔離。當輸入電能驅動電動機（jī）運轉時，除了有少（shǎo）部分（約20%左右）轉化為電動機熱能外，大部分將由運動機構轉化為動能，如主軸旋轉、工作台運動等；但不可避（bì）免的仍有相當部分在運動過程中轉化為摩擦發熱，例如軸承、導（dǎo）軌、滾（gǔn）珠絲杠和傳（chuán）動箱等機構發（fā）熱。

2）工藝過程的切削熱。切削（xuē）過程中刀具或工件的動能一（yī）部分消耗於切削功，相當一部分則轉化切削的（de）變形能（néng）和切（qiē）屑與刀具間的摩擦熱，形成刀具、主軸和工件（jiàn）發熱，並由大量切屑熱傳（chuán）導給機床的工作台夾具等部（bù）件。它們將直接影響刀具和工件間的相對位置。

3）冷卻。冷卻是針對（duì）機床溫度升（shēng）高的（de）反向措施，如電動機冷卻、主軸部件冷卻以（yǐ）及基（jī）礎結構件冷（lěng）卻等。高端機床往往對電控箱配製冷機，予以強迫冷卻。

4、機床的結構形態對溫升的影響在機床熱變形領域討論機床（chuáng）結構（gòu）形態，通常指結構形式、質量（liàng）分布、材料性能和熱源分布（bù）等問題（tí）。結構形態影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱（rè）變形方向及匹配等。

1）機床（chuáng）的結構形態。在總體（tǐ）結構方麵，機床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等，對於熱（rè）的響應（yīng）和（hé）穩（wěn）定性（xìng）均有較大（dà）差（chà）異。例如齒輪變速（sù）的車床（chuáng）主軸箱的溫升可高達35℃，使主軸端上（shàng）抬，熱平衡時間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心，機床有一個穩定的底座。明顯提（tí）高了整機剛度，主軸采用（yòng）伺服電動機驅（qū）動，去除了齒（chǐ）輪傳動部分，其溫升一般小於15℃。

2）熱源分（fèn）布的影響。機（jī）床上通常（cháng）認為熱源是指電動機。如主軸電動機、進給電動機和液壓係（xì）統（tǒng）等（děng），其實是不完全的。電動機（jī）的發熱隻是在承擔負荷時，電流消耗在電樞阻抗上（shàng）的能量，另有相當一部（bù）分能量消耗於軸承、絲杠螺母（mǔ）和（hé）導軌等機構的摩擦功引（yǐn）起的發（fā）熱。所以可把電動機稱為一次熱源，將軸承、螺母、導軌和切屑（xiè）稱之為二次熱源。熱變形則（zé）是所有這些熱源綜合影響的（de）結果。一台（tái）立柱移動（dòng）式立式加工（gōng）中心在Y向進給運動中溫升（shēng）和變形情況。Y向（xiàng）進給時（shí）工作台（tái）未作運（yùn）動，所以對X向的熱變形影（yǐng）響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越遠的點，其溫升越小。該機在Z軸移動時的情況則更進一步說明了熱源分布對熱變形的影響。Z軸進給離X向更遠，故熱變形（xíng）影（yǐng）響（xiǎng）更小，立柱上離Z軸電動機螺母越近，溫升及變（biàn）形也越大（dà）。

3）質量（liàng）分布的影響。質量分布對機（jī）床熱變形的影響有三方麵。

其一，指質（zhì）量（liàng）大小（xiǎo）與集中程（chéng）度，通常指改變熱容量和熱（rè）傳遞的速度，改變達到熱平衡的（de）時間

二，通過改變質量的布置形式，如各種筋板的布置，提高結構的熱剛度，在（zài）同樣溫升（shēng）的情（qíng）況下，減小熱（rè）變形影響或保持相對變形較小；

其三，則指通過改變質量布（bù）置的形（xíng）式，如在結構外部（bù）布（bù）置散熱筋板，以降低機床部件的溫（wēn）升。

材（cái）料性能的影響：不同的材料有不同（tóng）的熱性能參數（比熱（rè）、導熱率和線膨脹（zhàng）係數），在同樣熱量的影響下（xià），其溫升、變形均有不同。機床熱（rè）性能（néng）的測試

1、機床熱性能測試的（de）目的（de）控製機床熱變形的關鍵是通過熱特性測（cè）試，充分了解機（jī）床所處的環境溫度的變化，機床（chuáng）本身熱源及溫度變化以及關鍵點的響應（變形位移（yí））。測（cè）試數據（jù）或曲線描述一台機床熱特性，以便采取對策，控製熱變形，提高機床的加工精度和效率。

具（jù）體地說，應達（dá）到以下（xià）幾個（gè）目的（de）：

1）機床周（zhōu）圍環境測試。測量車間內的溫度環境，它的空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變化，甚至應測量季節變化對機床周圍溫度分布的影響。

2）機床本身的熱特性測試。盡可能地排除環境幹擾（rǎo）的條件下，讓機床（chuáng）處於各種運轉狀態，以測量機床本身的重要點位的溫度變化、位移變化，記錄在足夠長的時間段內的溫（wēn）度（dù）變化（huà）和關鍵點位（wèi）移，也可用（yòng）紅外線熱相儀記錄各時間段熱分布的情況。

3）加工（gōng）過程測試溫升熱變形，以判斷機床熱變形（xíng）對加工過（guò）程精度（dù）的影響。

4）上述（shù）試驗可積累大量的數（shù）據、曲線，將為機床設計和使用者控製熱變形提供可靠的判據，指出采取有效（xiào）措施（shī）的方向。

2、機床熱變形測試的（de）原理熱變（biàn）形測試首先需要測量若幹相關點的溫度，包含以下幾方麵：

1）熱源：包括各部分進給電動機、主軸電動機、滾珠絲杠傳動副、導軌、主（zhǔ）軸軸承。

2）輔助裝置：包括液壓係統、製冷機、冷卻和潤（rùn）滑（huá）位移檢測係統。
3）機械結構：包括床（chuáng）身、底座、滑（huá）板、立柱和銑頭箱體和主軸。在主軸和（hé）回轉工作台之間夾持有銦（yīn）鋼測棒，在X、Y、Z方向配置了5個接觸（chù）式傳感器，測量在各種狀（zhuàng）態下的綜合變形，以模擬刀具和工件間的相對位移。

3、測試數據處理分析（xī）機床（chuáng）熱變形試驗要在一個較長的連續時間內進行（háng），進（jìn）行連續的數據記錄，經（jīng）過分析處理，所反映（yìng）的熱變形特性可靠性很高。如果通過多次試驗進行誤差剔除，則所顯示的規律性是可信的。主軸係統熱變形試驗中共設置了5個測量點，其中點1、點（diǎn）2在主軸端部和靠近主軸軸承（chéng）處，點4、點5分別在銑頭殼體靠近Z向導（dǎo）軌（guǐ）處。測試時間共持續了14h，其中前10h主軸轉速分別在0～9000r/min範圍內交替變速（sù），從第10h開始（shǐ），主軸（zhóu）持續以（yǐ）9000r/min高速旋轉。

可以得到以下結論：

1）該主軸的熱平衡（héng）時間約1h左右，平衡後溫升變化範圍1.5℃；

2）溫升主要來源於（yú）主軸軸承和主軸電動機，在正常變速範圍內，軸承的熱態性能良好；

3）熱變形在X向影響很（hěn）小；

4）Z向伸縮變形較大，約10m，是由主軸的熱伸長及（jí）軸（zhóu）承間隙增大引起的；

5）當（dāng）轉（zhuǎn）速持續在9000r/min時，溫升急劇上升，在2.5h內急升7℃左右，且有繼續上升的趨勢，Y向和Z向的變形（xíng）達到了29m和（hé）37m，說（shuō）明該主軸在轉速為9000r/min時（shí）已不能穩定運行，但（dàn）可以短時間內（20min）運行。

機床熱變形的控製由以上（shàng）分析討論，機床（chuáng）的溫升和熱變形（xíng）對加工精度的影響因素多種多樣，采（cǎi）取控製措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二項措施，取得事半（bàn）功倍的效果。在設計中應從4個方（fāng）向入手（shǒu）：減少發熱，降低溫升（shēng），結（jié）構平衡，合（hé）理冷卻。

1、減少發熱控（kòng）製熱源是根本的措施。在設計中要采取措施有效（xiào）降低熱源的發熱量。1）合理選取（qǔ）電動機的額定功率。電動機的輸出功率P等於電壓V和電流I的乘積，一般情況下，電壓V是恒定（dìng）的，因此，負荷的增大，意味著電動機輸出功率增大，即（jí）相應的電流I也（yě）增大，則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若我（wǒ）們所設計選擇的電動機長時間在接近或大大超過額定功率的條件下工作，則電（diàn）動機的（de）溫升明顯增大。為此，對BK50型數控針槽銑床（chuáng）銑頭（tóu）進行了對比試驗（電動機轉速：960r/min；環（huán）境溫度（dù）：12℃）。從上述試驗得到以下概念：從熱源性能考慮，無論主軸電（diàn）動機還是進給電動（dòng）機，選擇額定功（gōng）率時，最好選比計算功率（lǜ）大25%左右為宜，在實際運行中，電（diàn）動機的輸出功率與負荷相匹配，增（zēng）大電（diàn）動機額定功率對於能耗的影響很小（xiǎo）。但可（kě）有效降低（dī）電動機（jī）溫升。

來源：機工機床世界；本文部分內容參考來源於互聯網，版權（quán）歸原作者所有。如涉及版權問題侵犯了您的合法權（quán）益，請作（zuò）者持權屬（shǔ）證（zhèng）明與本平台聯係（xì），我們（men）將及時更正、刪除，謝謝。