溫度（dù）對機（jī）床加工精度的影響

熱量（liàng）是影響加工精度（dù）的原因之一。機床受車間環境溫度變化、電機（jī）發熱、機械運動（dòng）摩擦、切削熱、冷卻介質的影（yǐng）響（xiǎng），導致（zhì）機床各部分溫升不均勻，造（zào）成機床形狀精度和加工精度的變化。例如，在普通精密數控（kòng）銑床上加工（gōng）一個70mm×1650mm的（de）螺釘，與下午2:00-3:30加工的工件相比，上午7:30-9:00加工的工件累計誤（wù）差可達85m。在恒溫條件下，誤差可降至40m。

再（zài）如，一台用於磨削兩端厚度為0.6 ~ 3.5 mm的薄鋼件的精密雙頭磨床，在驗收時加工厚度為200mm×25mm×1.08mm的鋼件時，尺寸精度可達到mm，且曲率在全長（zhǎng）小（xiǎo）於5m。然而，在連續自動研磨1h後，尺寸變化範圍增加到12m，冷卻液溫度從啟動時的17℃增加到（dào）45℃。由於（yú）磨削熱的（de）影響，主軸軸（zhóu）頸變長，主軸前軸承間隙增（zēng）大。所以在機床的（de）冷卻液（yè）箱上加一個5.5kW的製冷機，效果非常理想。實踐證明，機床受熱後的變形是影（yǐng）響加工精度（dù）的重要原因。但是機床處於一個溫度隨（suí）時隨地變（biàn）化的環境中；機床本身在工（gōng）作時，必（bì）然會消耗能量，而這些能量中有相（xiàng）當一（yī）部分會通過各種方式轉（zhuǎn）化為熱量，從而引（yǐn）起機床各部件的物理變化（huà），而這種（zhǒng）變化會因為結構形（xíng）式和（hé）材料的不同（tóng）而千（qiān）差萬（wàn）別。機（jī）床設計者應掌握熱（rè）量的形成機理和溫度分布規律，並采取相應措施，將熱變形對加工精度的影響降到最低。

機床溫（wēn）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（dì）區。一年四季氣溫變化很大，一天的溫差變化也不一樣。於是，人們對室內(如車間)溫度的幹預方式和程度不同，機床周圍的溫度氛圍也千差（chà）萬別。例如，在長江三（sān）角洲地區，季節溫度變（biàn）化約為45℃，晝（zhòu）夜溫度變化約為5 ~ 12℃。一般機加工車間冬天沒有暖氣，夏天沒有空調，但隻要車間通風良好，機加（jiā）工車間的溫度梯度變化不大。在東北地區，季節溫差可達60℃，日變化約為8 ~ 15℃。采暖期為10月底至次年4月（yuè）初。機加工車間設計有暖氣，空氣流通不充分。車間內外溫差可達50℃。因此，冬季車間內的溫度梯度非常複雜。測量時室外溫度為1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內（nèi）溫度變化約為3.5℃。在這（zhè）樣的車間裏，環境溫度會極大（dà）地影響精密機床的加（jiā）工精度（dù）。

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

它們包（bāo）括以下四個方（fāng）麵:

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

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

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

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

3.影響機床內部發熱的因素（sù）

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

2)工藝過程中的截（jié）熱。在切（qiē）削過程（chéng）中，刀具或工件的（de）一（yī）部分動能（néng）消耗在切削功中，而相當一部分轉化為切削變形能和切屑與刀具之間的摩擦熱（rè），導致刀具、主軸和工件的發熱，這些熱量由大量切屑傳導（dǎo）到機床的工作台和夾具（jù）上。它們將直接影響刀具和（hé）工件之（zhī）間的（de）相對位置。

3)冷卻。冷卻是（shì）針（zhēn）對機床溫升的（de）一種應對措施，如電機冷卻、主軸冷卻、基礎結構冷卻等（děng）。高端機床經常用冰箱強製（zhì）冷（lěng）卻（què）電控箱。

4.機床結構對溫升的影（yǐng）響（xiǎng）。在機床熱變形領域（yù），討論機床結構，通常是指結構形式（shì）、質（zhì）量分布、材料性能和熱源分布。結構影響（xiǎng）機床的溫度分布、熱傳導方向、熱變形方（fāng）向和匹配。

1)機（jī）床的結構。就總（zǒng）體（tǐ）結構而言，機床（chuáng）有立式、臥式、龍門式和懸臂式（shì）等。，它們在熱響應和穩定性方麵（miàn）有很大差異。比如帶換擋的車床主軸箱溫升可高達35℃，使主軸端抬起，熱平衡時（shí）間需要2h左右。在傾斜（xié）床身精密車銑加工中心，機床有一（yī）個穩定的基礎。整機剛性明顯提（tí）高，主軸采用伺服電機驅動（dòng），去掉了齒（chǐ）輪（lún）傳動部分，其（qí）溫升一般小（xiǎo）於15℃。

2)熱源分（fèn）布的影響。一（yī）般來（lái）說（shuō），機床中的熱源是指電機。比如主軸電機，進給電（diàn）機，液壓係（xì）統（tǒng），其實都是不完整的。電機的（de）發熱隻（zhī）是電機帶（dài）負載時電流在電樞（shū）阻抗上消耗的能量，還有相當一部分能量被軸承、螺母、導軌（guǐ）的摩擦做功產生的發熱所消耗。所以電機可以稱為一級熱源，軸承、螺母、導軌、芯片可以稱為二級熱源。熱量是所有這些熱源（yuán）綜合影響（xiǎng）的結果。立柱（zhù）移動式立式加工中心Y向進給過（guò）程中的溫升和變形。Y方向（xiàng）進給時，工作台不移（yí）動，所以對（duì）X方向的熱變形影響很（hěn）小（xiǎo）。在立柱上，離Y軸絲杠越遠，溫升越小。機床在Z軸上的運動進一步說（shuō）明了熱源分布對熱（rè）變形的影響（xiǎng）。z軸進給距離x方向（xiàng）較遠，因此熱變形影響較小。立柱離（lí）z軸（zhóu）電機的（de）螺母越近，溫升和變形越大。

3)質量分布的影響。質（zhì）量分布對機床熱變（biàn）形的影響有三個方麵。一是指質量大小和集中度，通常指改變熱容量和（hé）傳熱速度，改變達到熱平衡的時間。

其次，通過改（gǎi）變質量的布置形式（shì），如各種加強筋的布置，可以提高結構的熱剛度，在相同的溫升下，可以減（jiǎn）小（xiǎo）熱變形的影響或保持較小的相對變形；

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

材料性質的影響:不同的材料有不同的熱（rè）性能參（cān）數（shù）(比熱、導熱係數、線膨脹係數（shù）)。在同樣的熱量作用（yòng）下，它們的溫升和變形是不同的。機床熱性能測試

1.機床熱性能試驗的目（mù）的（de）。控製機床熱變形的關鍵是通（tōng）過熱性能試驗，充分了解機（jī）床環境溫度（dù）的變化、機床本身（shēn）的熱源和溫度變化以及關鍵點(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（zhì）熱變形，提高（gāo）機床的加工精度和效率。

具（jù）體而言，應達（dá）到以下目的:

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

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

3)測試加工過程中的溫升和熱變形，判斷機床熱（rè）變形對加工（gōng）精度的影（yǐng）響。

4)上述試（shì）驗可以積累大量的數據和曲線，將為機（jī）床（chuáng）設計和用戶控製熱變形提供可靠的判據，並指明采取有效措施的（de）方向。

2.機床（chuáng）熱變形測（cè）試原理。熱變形試驗首先需要測量幾個相關點的溫度，包括以下幾個（gè）方麵:

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)輔助設備:包括液壓係統、製冷機、冷卻和潤滑位（wèi）移檢測係統。

3)機械結（jié）構:包括床身、底座、滑板、立（lì）柱、銑頭（tóu）箱和主軸。在主軸和轉台之間夾一根銦鋼測量杆，在X、Y、Z三個方向上布置五個接（jiē）觸式傳感（gǎn）器，測量各種狀態下的綜合變形，從而模擬刀具（jù）和工件之間的相對位移。

3.測試數據處理和分析。機床的熱（rè）變形試驗應在較長的連續時間（jiān）內（nèi）進行，並有連續的數（shù）據（jù）記錄。經過分析和（hé）處理，反映的熱（rè）變形特征的可靠性（xìng）很高。如果通過多次實驗消除了誤差，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2分別位（wèi）於主軸末端和主軸軸承附近，測點4和測點5分別位於Z向導軌附近的銑頭外（wài）殼處。試（shì）驗持續（xù）14小時，其中主軸（zhóu）轉（zhuǎn）速在前10小時在0 ~ 9000r/min範圍內交（jiāo）替（tì）變化（huà），主（zhǔ）軸從前10小時開始（shǐ）繼續以9000r/min的高速旋轉（zhuǎn）。

可以（yǐ）得出以下結論:

1)主軸熱平衡時間約為1h，平衡後溫升範（fàn）圍為1.5℃；

2)溫升主要來自主軸軸承和主（zhǔ）軸電（diàn）機。在（zài）正常轉速範圍內，軸承的熱性能良好；

3)熱變形在X方向影（yǐng）響不大；

4)Z向伸縮變形較大，約10m，是主軸熱伸長和（hé）軸承間隙增大造成的；

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，說明主軸在9000r/min時不能（néng）穩（wěn）定運行，但（dàn）在短時間內(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形，影響加工（gōng）精度的因素很（hěn）多（duō）。在（zài）采取控製（zhì）措施時，要抓住（zhù）主要矛盾，重點采取（qǔ）一兩項措施，事（shì）半功倍。在設（shè）計中要從減少發熱、降低（dī）溫升、結（jié）構（gòu）平衡、合理散熱四個（gè）方向（xiàng）入手。

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

1)合理（lǐ）選擇電機的額定功率（lǜ）。電機的輸出（chū）功（gōng）率P等於電壓V和電流I的乘積，一般情（qíng）況下電壓V是（shì）恒定的。因此，負載的增加意味著電機的輸出功率增加，即對應的（de）電流I也增加，電樞阻抗中電（diàn）流消（xiāo）耗的熱量增加。如果我（wǒ）們設計和選用（yòng）的電動（dòng）機長期工作（zuò）在接近或大大超（chāo）過額（é）定功率的情況下，電（diàn）動機的溫升會明顯增（zēng）加。為此（cǐ），對BK50數（shù）控針槽銑床的銑頭（tóu）進（jìn）行了（le）對比（bǐ）試驗(電機轉速:960 r/min；環境:12℃)。從上（shàng）麵（miàn）的測（cè）試中得出（chū）了以下幾個概念:考慮到熱源的性（xìng）能，在選擇主軸電機或進給（gěi）電機的（de）額定功率時（shí），最好選擇比計算功率高25%左右。實際運行中，電機輸出功率與負載匹配，提高電機額（é）定功率對能耗影響不大。但（dàn）是可以（yǐ）有（yǒu）效降低電機溫升。