溫度變化對機床加工精度的影響

熱變形是影響加工精度的原因之一機床（chuáng）受到車間環境溫度的變化、電動機（jī）發熱和機械運動摩擦發熱、切削熱以及冷卻介質（zhì）的影響，造成（chéng）機床各部（bù）的溫（wēn）升不均勻，導致機床形態精度及加工精度的變化。例如，在一台（tái）普通精度的數控銑床上（shàng）加（jiā）工70mm×1650mm的螺杆，上午7:30-9:00銑削的（de）工（gōng）件（jiàn）與（yǔ）下午2:00-3:30加（jiā）工的工件相比，累積誤差的變化可達85m。而在恒溫條件下，則誤差（chà）可減小至40m。

再如，一台用於雙端麵磨（mó）削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端麵磨床，在驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工（gōng）件能達到mm的尺寸（cùn）精度，彎曲度在全長內小於5m。但連續（xù）自動磨削1h後，尺寸變（biàn）化範圍增大到12m，冷卻（què）液溫度（dù）由（yóu）開機時的17℃上（shàng）升到45℃。由於磨削熱（rè）的影（yǐng）響，導致主軸軸頸伸長，主軸前軸（zhóu）承間隙增（zēng）大。據此，為該（gāi）機床（chuáng）冷卻液箱添加一台5.5kW製冷機，效果十（shí）分理想。實踐證明，機床受熱（rè）後（hòu）的變形是影響加工精度的重要原因。但機床是處在溫度隨時隨處變（biàn）化的環境中（zhōng）；機床本身在工作（zuò）時必然會消耗能量，這些（xiē）能量的相當一部分會以各種方式轉化為熱，引起機床各構件的物理變化，這種（zhǒng）變化（huà）又因為結構形式的（de）不同，材質的（de）差（chà）異（yì）等原因而（ér）千差萬別。機床設計師應掌握熱的形成機理和（hé）溫度分布規律，采取相應（yīng）的措施，使熱變形對（duì）加工精度（dù）的影響減（jiǎn）少到最小。

機床（chuáng）的溫升及（jí）溫度（dù）分（fèn）布、自然氣（qì）候影（yǐng）響我（wǒ）國幅員遼闊，大部（bù）分地區處於亞熱帶地區，一年四季的溫（wēn）度變（biàn）化較大，一天內溫差變（biàn）化也（yě）不一樣。由此，人們對室內（如車間）溫度的幹預的方式和程度也不同，機床（chuáng）周圍的溫（wēn）度（dù）氛圍千差（chà）萬別。例如，長三角地區季節（jiē）溫度變化範（fàn）圍約（yuē）45℃左右，晝夜溫度（dù）變化約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，機加工車間的溫度梯度變化（huà）不大。而東北（běi）地區，季節溫差可達（dá）60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至（zhì）次年4月初為供暖（nuǎn）期，機加工車間的設計有供暖，空氣流通不足。車間內外溫差可達50℃。因此車間內冬季的溫度梯度十分複雜，測量時室外溫度1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內溫度（dù）變化約3.5℃。精密（mì）機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（de）。

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

它們包括以下4個方麵：

1）車間小氣候：如車（chē）間內溫度的分布（垂直方向、水平方向）。當晝夜交替（tì）或氣候以及（jí）通風變化時車間溫度（dù）均會產生緩慢變化。

2）車間熱源（yuán）：如太陽照射、供暖設備和大功率照（zhào）明（míng）燈的輻射等，它們離機床較近時可直接（jiē）長時間影響機床整體或部分部件的溫（wēn）升。相鄰設（shè）備在（zài）運行（háng）時產生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影響機床溫升。

3）散熱：地基有較好的散（sàn）熱作用，尤其是（shì）精密機床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏時，可能成為一個難以找到原因的（de）熱源；敞開的車間將是一個很好的（de）“散熱器”，有利於車間溫度（dù）均衡。

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

3、機床內部熱影響因素

1）機床結構性熱源。電動機發（fā）熱如主軸電（diàn）動機、進給（gěi）伺服電動機、冷卻潤滑泵電動機、電控箱等均可產生熱量。這（zhè）些情況對（duì）電動機本身來說是允許（xǔ）的（de），但（dàn）對於主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響，應采取措施予以隔離（lí）。當輸入電能驅動電動機運轉時，除了有少部分（約20%左（zuǒ）右）轉化為電動機熱能外，大（dà）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（dàn）不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉化為摩擦發熱，例如（rú）軸承、導軌、滾珠絲杠和傳動箱等機構發熱。

2）工藝（yì）過程的切削熱。切削過程（chéng）中刀具或工（gōng）件的動能一部分消耗（hào）於切削功（gōng），相（xiàng）當一部分則轉化（huà）切削的（de）變形能和切屑與刀（dāo）具（jù）間的摩擦熱，形成刀具、主軸和（hé）工（gōng）件發（fā）熱，並由大量切（qiē）屑熱傳導給（gěi）機床的工作台夾具等部件。它（tā）們將直接影響（xiǎng）刀具和工件間的（de）相對位置。

3）冷（lěng）卻。冷卻是（shì）針對機（jī）床溫度升高的反向措施，如電動機冷卻、主軸部件冷卻（què）以及（jí）基礎結構件冷卻（què）等。高端機（jī）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（zài）機床熱變形領域討論機床結構形態，通常指結構形式、質量分布、材料性能和熱源分布（bù）等問題。結構形態影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱變（biàn）形方向及匹配等。

1）機床（chuáng）的結構形態。在總體結（jié）構方麵，機床有立式、臥式、龍門式和（hé）懸臂式等，對於熱的響應和穩（wěn）定性均有（yǒu）較大差（chà）異（yì）。例如齒輪變速的（de）車床（chuáng）主軸箱的溫升可高（gāo）達35℃，使主軸端上抬，熱平衡時（shí）間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中（zhōng）心，機床有一個（gè）穩定的底座。明顯提高了整機剛度（dù），主軸采用伺服電動機驅動，去除（chú）了齒輪傳動部（bù）分，其溫升一般（bān）小於15℃。

2）熱源分布的影（yǐng）響。機床（chuáng）上通常認為熱源是（shì）指電動機。如主軸電（diàn）動機、進給（gěi）電動機和液壓係統等，其實是不（bú）完全（quán）的。電動（dòng）機（jī）的發熱隻是（shì）在承擔負荷時，電流消耗在電樞阻抗上的能量（liàng），另有相當一部分能量消耗（hào）於軸承、絲杠螺母（mǔ）和導軌等機構的摩擦功引起的發熱。所以可把電動機稱為一次熱源，將軸（zhóu）承、螺母、導軌和切屑稱之為二次熱源。熱變形則是所有這些（xiē）熱源綜合影響的結果。一台立柱移動式立式加工中心在Y向進（jìn）給運動中溫升和變（biàn）形（xíng）情況。Y向進給時工作台未作運動，所以（yǐ）對X向（xiàng）的熱變形影響很小（xiǎo）。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越（yuè）遠的點，其溫升（shēng）越小。該機在Z軸（zhóu）移動時的情況則更進一步說明了熱（rè）源分布（bù）對熱變形（xíng）的影響。Z軸（zhóu）進給離（lí）X向更遠，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸（zhóu）電動機螺母越近（jìn），溫（wēn）升及變形也越大。

3）質（zhì）量分布的影響。質量分布對機床熱變形的影響有三方麵。

其一，指質量大小與集中程度，通常指改變熱容量和熱（rè）傳遞的速度，改變達到（dào）熱平衡的（de）時間

二，通過改變質量的布置（zhì）形式，如各種筋板的布置，提（tí）高結構的熱（rè）剛（gāng）度，在（zài）同樣溫升的情況（kuàng）下（xià），減小熱（rè）變形影響或保持相對（duì）變形較小；

其三，則指通過改變質量布置的形式，如在結構（gòu）外部布置散熱筋板，以降（jiàng）低機床部件的溫升。

材料性能的影響：不同的材料有不同的熱性能參數（比熱、導（dǎo）熱（rè）率和線膨脹係（xì）數），在同樣熱量的影響下（xià），其溫升、變形均有不（bú）同。機床熱性能的測試

1、機（jī）床熱性能測試的目的控製機床熱變形的關鍵是通過熱特性測試，充分（fèn）了解機床所處的環境溫度的變化，機床本身熱（rè）源（yuán）及溫度變化以及關鍵點的響應（變形位移）。測試數據或曲（qǔ）線描述一台（tái）機（jī）床熱特（tè）性，以便采（cǎi）取對策，控製熱變形，提高機（jī）床的加工精度（dù）和效率。

具體地說，應達到以下（xià）幾個目（mù）的：

1）機床周（zhōu）圍（wéi）環境測試。測量車間內的（de）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（shèn）至（zhì）應測量季（jì）節變化對機床周圍溫度分布的影響。

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

3）加工過程測試溫升熱變形，以判斷機（jī）床熱（rè）變形對加工過程精度的影（yǐng）響。

4）上述試驗可積累大量的數據、曲線（xiàn），將為機床設計和使用者控（kòng）製熱變形（xíng）提供可靠的判據，指出采取有效措施的（de）方向。

2、機（jī）床（chuáng）熱變形測試的原理熱變形測試首先需要測量若幹相關點的溫度，包含以下（xià）幾方麵：

1）熱（rè）源：包括各部分進給電動（dòng）機、主軸電動機、滾珠絲（sī）杠傳動副（fù）、導軌、主軸軸（zhóu）承。

2）輔助裝置：包括液壓（yā）係（xì）統、製冷機、冷卻和潤（rùn）滑位移（yí）檢測係統。
3）機（jī）械結構：包括床身、底座、滑板（bǎn）、立柱和銑頭箱體和（hé）主軸。在主軸和回轉工作台之（zhī）間夾持有銦鋼測棒，在X、Y、Z方向配置（zhì）了5個接觸式傳感器，測量在各種狀態下的綜合變形，以模擬（nǐ）刀具和工件間的相對位移。

3、測試數據處理分析機床熱變形試驗要在（zài）一（yī）個較長的連續時間內進（jìn）行，進行連續的數據記錄，經過分析（xī）處理，所反映的熱變形特性可靠性很高（gāo）。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（zhōng）共設置了5個測（cè）量點，其中點1、點2在主軸端部和靠（kào）近主軸軸（zhóu）承處，點4、點5分別在銑（xǐ）頭殼體（tǐ）靠近Z向導軌處。測試時間共持（chí）續了14h，其中前10h主軸轉速分別在0～9000r/min範圍內交替變速，從第10h開始，主軸持續以9000r/min高速旋轉。

可以得到以下結論：

1）該主軸的熱平衡時間約1h左（zuǒ）右，平衡後（hòu）溫升變化範（fàn）圍1.5℃；

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

3）熱變形在X向影響很小；

4）Z向伸縮變形較大（dà），約10m，是由主軸的熱伸（shēn）長及軸承間隙增大引起的；

5）當（dāng）轉速持續在（zài）9000r/min時（shí），溫升急劇上升，在2.5h內（nèi）急升7℃左右，且有繼續上升的趨勢，Y向和Z向的變形達到了29m和37m，說明該主（zhǔ）軸在轉速為9000r/min時已不能穩定運行（háng），但可以短時間內（nèi）（20min）運行。

機床熱（rè）變形的控製由以上分析（xī）討論，機床的溫升（shēng）和熱變形對加工精度的影響因素多種多（duō）樣，采取控製措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二（èr）項措施，取得事半功倍（bèi）的效果。在設計中應從4個方向入手：減少發熱，降低溫（wēn）升，結構平衡，合理冷卻。

1、減少發熱控製熱源是根本的措施。在設計中要采（cǎi）取措施有效降低熱源的（de）發熱量。1）合理選取電動機的額定功率。電動機的輸出功率P等於（yú）電（diàn）壓V和（hé）電流I的乘積（jī），一般（bān）情況下，電壓V是恒定（dìng）的，因此（cǐ），負荷的增大，意味著電動機輸出功率增大，即相應的電流（liú）I也增大，則電流消耗在（zài）電樞阻抗的熱量增大。若我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（de）條（tiáo）件下工（gōng）作，則電動機的溫升明顯增大（dà）。為此，對BK50型（xíng）數控針槽（cáo）銑床銑頭進行（háng）了（le）對比試驗（電動機轉速：960r/min；環境溫（wēn）度：12℃）。從上述試驗得到（dào）以下概念：從（cóng）熱源性能（néng）考慮，無（wú）論主軸電（diàn）動機還是進給電動機，選擇額定功率時，最好（hǎo）選比計算功率大25%左右為宜，在實際運行中，電動機的輸出功率與負荷（hé）相匹配，增大電動機（jī）額定功率對於能耗的影響（xiǎng）很小。但可有效降低電動機溫升。

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