溫度（dù）對機床加工精度的影響

熱量是影響加（jiā）工精度的原因之一。機床受（shòu）車間環境溫度變化、電機（jī）發（fā）熱、機械運動摩擦、切削熱、冷卻介質的（de）影響，導致機床各部分（fèn）溫（wēn）升不均勻，造（zào）成（chéng）機床形狀精度（dù）和加工精度（dù）的變化。例如，在普通精密數控銑（xǐ）床上加工一個70mm×1650mm的（de）螺釘，與下（xià）午2:00-3:30加工的工件相比，上午7:30-9:00加工的工（gōng）件累計誤差可達85m。在恒（héng）溫條件下，誤差可降至40m。

再如，一台用於磨削兩（liǎng）端厚度為0.6 ~ 3.5 mm的薄鋼件的精密雙頭磨床，在驗收時加（jiā）工厚度（dù）為200mm×25mm×1.08mm的鋼件時，尺寸精度可達到mm，且曲（qǔ）率在全長小於5m。然（rán）而，在連續自動研磨1h後，尺寸變（biàn）化範圍增（zēng）加到12m，冷卻液溫（wēn）度從啟動時的17℃增加到45℃。由於磨削熱的影響，主軸軸頸變長，主軸前（qián）軸承間隙增大。所（suǒ）以在機床的（de）冷（lěng）卻液箱上加一個（gè）5.5kW的製冷機，效果非常理想。實踐證明，機床受熱後的變（biàn）形（xíng）是影響加工精度的重要原因。但是機床（chuáng）處於一個溫度隨時隨（suí）地變化的環境中；機床本身在工作（zuò）時，必然會消耗能量，而這些能量中有相當一部分會通（tōng）過各（gè）種方式轉化為熱量（liàng），從而引起機床各部件（jiàn）的物（wù）理變化，而這種變化會因為結構形式和材料的不同而千差萬別。機床設計者應掌握熱量的形成機理和溫（wēn）度分布（bù）規律，並采取相應（yīng）措施，將熱變形對加工精度的影響降到最（zuì）低（dī）。

機床溫升及分布與自然氣候影響我國幅員遼闊，大部分地區位於亞熱帶地區。一年四季氣溫（wēn）變化很大（dà），一天的溫差變（biàn）化也不一樣（yàng）。於是，人們對室內(如車間)溫度的幹預方式和程度不同，機床周圍的溫（wēn）度氛圍也（yě）千差萬別。例（lì）如，在長江三角洲地（dì）區，季（jì）節溫度變化約為45℃，晝夜（yè）溫度變化約為5 ~ 12℃。一般機加工車間冬（dōng）天沒有暖氣，夏天沒有空調，但隻要車間通風良好，機（jī）加工車間的溫（wēn）度梯度變化不（bú）大。在東北地區，季節溫差可（kě）達60℃，日變化約為8 ~ 15℃。采暖期為10月底至次年4月初（chū）。機（jī）加工車間設計有暖氣，空氣流通不充分。車間內外溫差（chà）可達（dá）50℃。因此（cǐ），冬季車間內的溫度梯度非（fēi）常複雜。測（cè）量時室外溫度為1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內溫（wēn）度變化約為3.5℃。在這樣的車（chē）間裏，環境溫度會極大地影響精密機床的加工精度。

周圍（wéi）環境的（de）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。

它（tā）們包括以下（xià）四個方麵:

1)車間微氣候:如車（chē）間內的溫度分布(垂直方向和水平方向)。當晝夜交替或氣候（hòu）、通風發生變化時（shí），車間溫度會緩（huǎn）慢變化。

2)車間熱源:如太陽輻射、加熱設備輻射、大功率照明等。，當它們靠近機床（chuáng）時，可長時間直接影響機床整體或部分零件的溫升。相鄰設備運行時產生的熱（rè）量會通過（guò）輻射或氣流影響機床的溫升。

3)散熱:基礎具有良好的散熱功能，尤其是精密機床的基礎不宜靠近地下供熱（rè）管道，一旦破裂泄漏，可能成為難以查找原因的熱源；開（kāi）放式的車間會是一個很好的“散熱器”，有利於車間內的溫（wēn）度平衡。

4)恒溫（wēn）:在（zài）車間采用恒（héng）溫設施，對保持精密機床的精度和加工精度非常有效，但能耗較高。

3.影響機床內部發熱的因素

1)機床的結構熱源。主軸電機、進給伺服電機、冷卻潤滑泵電機、電控箱（xiāng）等電（diàn）機。會產（chǎn）生熱量。這些條件對電（diàn）機本身是（shì）允許的（de），但對（duì）主軸、滾（gǔn）珠（zhū）絲杠等部件有顯著的不（bú）利影響，應采取措施加以隔離。當輸入的電能驅動電機運轉時，除了一小部（bù）分(20%左右（yòu）)轉化為電機的熱能外，大部分都會被運動機構轉化為動能，如主（zhǔ）軸旋轉、工作台運動等。但不可避免的是，運動中有相當一部分熱量是摩擦產生的，比（bǐ）如軸承、導軌、滾珠絲杠、傳動箱產生的熱（rè）量。

2)工藝過程中的截熱。在切削過程中，刀具或工件的一部分動能消耗在切（qiē）削功中，而相當一部分（fèn）轉化為切削變形能和切屑與（yǔ）刀具之間的（de）摩擦（cā）熱，導致（zhì）刀具、主軸和工（gōng）件的發熱，這些熱（rè）量由（yóu）大量切屑傳導到機床的工作台和夾具上。它們將直接影響刀具和工件之間的相對位（wèi）置。

3)冷卻（què）。冷卻是針對（duì）機床溫升的一種應對措施，如電機冷卻、主軸冷卻（què）、基礎結構冷卻等。高端機床經常用冰箱強製冷卻電控箱。

4.機床結構對溫升的（de）影響。在機床熱變形領域，討論機床結構，通常是指結構形式、質量分布、材料性能（néng）和熱源（yuán）分布。結構影響機床的溫度分布、熱傳導方向（xiàng）、熱變形方向和匹配。

1)機床（chuáng）的結（jié）構。就總體（tǐ）結（jié）構而言，機床有立式、臥式（shì）、龍門式和懸臂式等。，它們在熱響應和穩定性方麵有很（hěn）大差異。比如帶換擋的車床主軸箱溫（wēn）升可高達35℃，使主軸端抬起（qǐ），熱平衡時間需要2h左右。在傾斜床身精密車銑加（jiā）工中（zhōng）心，機床有一個穩定的基礎。整機剛性明顯提高，主軸采用伺服電機（jī）驅動，去掉了齒輪傳（chuán）動部分，其溫升一般小於15℃。

2)熱源分（fèn）布的影響。一般來說，機床中的（de）熱源是指電機。比如主軸電機，進給電機，液（yè）壓係統（tǒng），其實都是不完整（zhěng）的。電機的發熱隻是電機帶（dài）負載時電流在電樞阻抗上消耗的能量，還有相（xiàng）當一部分能量被軸承、螺母、導軌的摩擦做功產生的發（fā）熱所消（xiāo）耗。所以電機（jī）可以稱為一級熱源，軸承、螺母、導軌（guǐ）、芯片可以稱為（wéi）二級熱源。熱（rè）量是所有這些熱源綜合影響的結果。立柱移（yí）動式立式加工中心Y向進給過程中的溫升（shēng）和變形。Y方（fāng）向進給時，工作台不移動，所以對X方向的熱（rè）變形影響很（hěn）小。在立柱上，離Y軸絲杠越遠，溫（wēn）升越小。機床在Z軸（zhóu）上的運動進一步說明了熱（rè）源分布（bù）對熱變形的影響。z軸進給距（jù）離x方向較遠，因此熱變形影響較（jiào）小。立柱離z軸電機的螺母（mǔ）越近，溫升和變形越大。

3)質量分布（bù）的影響。質量分布對機床熱（rè）變形的影響有三個方麵。一（yī）是指質量大小和集中度，通常指改變熱容量和傳熱速度，改變達到熱平衡的時間。

其次，通過改變質（zhì）量的布置形式，如各種加強筋的布置，可（kě）以提高（gāo）結構的熱剛度，在（zài）相同的溫升下，可以減小熱變形的影響或保（bǎo）持較小的相對變形；

三是指通過改變質量布置的形式來降低機床（chuáng）部件的溫升，如在結構外（wài）部布置散熱筋。

材料性質的影（yǐng）響:不同的材料有不同的熱性能參數(比熱（rè）、導（dǎo）熱係數、線（xiàn）膨脹係數)。在同樣的熱量作用下，它們（men）的（de）溫升（shēng）和變形是（shì）不同的。機床熱（rè）性能測試

1.機床熱性能試（shì）驗的目的。控製機床熱變形的關鍵（jiàn）是通過熱性能試驗，充分了解機床環境溫度的變（biàn）化、機床本身的熱源和溫（wēn）度變化以及關鍵點(變形和位移)的響應。測試數據或曲線描述機床的熱特性，以便采取對策，控製熱變形，提高機床的加工精度和效率。

具體而言，應達到（dào）以下目的:

1)測試（shì）機床周圍環境。測量車間內的溫度環境，其空間溫度梯度，晝（zhòu）夜交替中溫度（dù）分布的變化，甚至季節變化對機床周圍溫度分布的影響。

2)機（jī）床本身的熱特性測試。在盡（jìn）可能排除環境幹擾的情況下，讓（ràng）機床處於（yú）各種運行狀態（tài），測量機床本身重要點（diǎn）的溫度變（biàn）化和位移變化，記錄足夠長時間內關鍵點的溫度（dù）變化和位移。你也可以使用紅外熱成像來記錄每個時間段的熱量分布。

3)測試加工過（guò）程中的（de）溫升和熱變形，判斷機床熱變形對加工精度（dù）的影響。

4)上述試驗可以積（jī）累大量的數據和曲線，將（jiāng）為機床設計（jì）和用戶（hù）控製熱變形提供可靠的判據，並指明采（cǎi）取（qǔ）有效措施的方向。

2.機床熱變形測試原理。熱變形試（shì）驗首先需要測量幾個相關點的溫度，包括以下幾個方（fāng）麵:

1)熱源:包括進給電機、主軸電機、滾珠絲杠（gàng）傳動副、導軌和主（zhǔ）軸軸承。

2)輔助設（shè）備:包括液壓係統、製冷機（jī）、冷卻和潤滑位移檢測係統。

3)機械結構:包括（kuò）床身、底座、滑板、立柱、銑頭箱和主軸。在主軸和轉台之間夾一根銦鋼測量杆，在X、Y、Z三個方向（xiàng）上布置五個接觸式傳感器，測量各種狀態下的綜合變形，從而（ér）模擬刀具和工件之間的相對位移。

3.測試數據處（chù）理和分析。機床的熱變形試驗應在較長的連續時（shí）間內進行，並有連續的數據記錄（lù）。經（jīng）過分析和處理，反映（yìng）的熱變形特征的（de）可靠性很高。如果通過多次實驗消除了（le）誤差，所顯示的規律性是可信的。主軸係統熱變形測試共有五個測點，其中測點1和測點（diǎn）2分別位於主軸末端（duān）和主軸軸承附近，測點4和測點5分別（bié）位於Z向導（dǎo）軌（guǐ）附（fù）近（jìn）的銑頭外殼處。試驗持續14小時，其中主軸轉速（sù）在（zài）前10小時在0 ~ 9000r/min範圍內交替變化，主軸從前10小時開始繼續以（yǐ）9000r/min的高速旋轉。

可以（yǐ）得出以下結論:

1)主軸（zhóu）熱平衡時間約為1h，平（píng）衡後溫升範圍為1.5℃；

2)溫升主（zhǔ）要來自主軸軸承和主軸電機。在正常轉速範圍內，軸承的（de）熱（rè）性能良好；

3)熱變形在X方向影響不大；

4)Z向伸縮（suō）變形較大，約10m，是主軸熱伸長和軸承間（jiān）隙增大造成的；

5)轉速保持在9000r/min時，溫度急劇上升，2.5h約7℃，Y、Z方向變形達到29m、37m，說明（míng）主軸在9000r/min時不能穩定運行，但（dàn）在（zài）短時間內(20min)可以運行。通過以上分析，討論了機床熱變形的控製。由於機床的溫升和熱變（biàn）形，影響加工精度的因素很多。在采取控製（zhì）措施時，要抓住主（zhǔ）要矛盾，重點采取一兩項措施，事半功倍。在設（shè）計中要從減少發熱、降低溫升、結構（gòu）平衡、合理散熱（rè）四個方向入手。

1.降低熱量，控製熱源是根本措施。設計中應采（cǎi）取措施有（yǒu）效降低熱源的熱值。

1)合理選擇電機的額定功率。電機的輸出功率P等於電壓V和電流I的乘積（jī），一般情況下電壓V是恒定的。因此，負載的增加意味著（zhe）電機的輸出功率增加，即對應（yīng）的電流I也增加，電樞阻抗中電流消耗（hào）的熱量（liàng）增加。如果我們設計（jì）和選用的電動機長期工作在接近或大大超過額定功率的情（qíng）況下（xià），電動機（jī）的（de）溫（wēn）升會明（míng）顯增加。為此，對BK50數控針槽銑床的銑頭進（jìn）行了對（duì）比試驗(電機轉速:960 r/min；環境:12℃)。從上麵的測試中得出了以下幾個概念:考慮到熱源的性能，在選擇主軸電機或進給電機的額定功率時，最好選擇比計算（suàn）功率高25%左右（yòu）。實際運行中，電機輸出功率與負（fù）載匹配，提高電機額（é）定功（gōng）率對能耗影響不大。但是可以有效降低（dī）電機溫升。