溫（wēn）度對機床（chuáng）加工精度有哪（nǎ）些影響

熱變形是影響加（jiā）工（gōng）精度的原因之一（yī）機床受到車間環境溫度（dù）的變（biàn）化、電動機發（fā）熱（rè）和機械運動摩擦發熱、切削熱以及冷卻介（jiè）質的影響，造成機床各部的溫升不均勻，導致機床形態精（jīng）度（dù）及加工精度的變（biàn）化。例如，在一台普通（tōng）精度的（de）數控銑床上加工70mm×1650mm的螺杆，上午7:30-9:00銑（xǐ）削的工件（jiàn）與下午2:00-3:30加工（gōng）的（de）工件相比，累積誤（wù）差的變化可達85m。而在恒溫條件（jiàn）下，則誤差可（kě）減小至40m。

再如，一台用於雙端麵磨削0.6～3.5mm厚的薄（báo）鋼片工件的精密雙端麵磨（mó）床，在驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能（néng）達到（dào）mm的（de）尺寸精度，彎曲度在（zài）全長內小於5m。但（dàn）連續自動磨削1h後，尺寸變化範圍增大到12m，冷卻液溫度由開機時的17℃上升到45℃。由於磨削（xuē）熱的影響，導致主軸軸（zhóu）頸伸長，主軸前軸承間隙增大。據此，為該（gāi）機床冷卻液箱添加一台5.5kW製冷機，效果十分理想。實踐證明，機床受熱後的變形是影響加工（gōng）精度的重要原因。但機床是處在溫度隨時隨處變化的環境中；機床本身在工作時必然會消耗能量，這些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，這種變化又因為結構形式的不同，材質的差異等原因而千差萬別。機床設（shè）計師應掌（zhǎng）握熱的形（xíng）成機理和溫度分布規律，采（cǎi）取相應的措施，使熱變形對加工精度的影響減（jiǎn）少到小。

機床的溫升及（jí）溫度分布、自然氣候影響我國幅員遼闊，大（dà）部分地區處於亞熱帶地區（qū），一年四季的溫度變化（huà）較大，****內溫（wēn）差變化也（yě）不一樣（yàng）。由此，人們對室內（如車（chē）間）溫度（dù）的幹（gàn）預的方式和程度也不同，機床周圍的溫度氛圍千（qiān）差（chà）萬別。例如，長三（sān）角地區季節溫度變化範圍約45℃左右，晝（zhòu）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（dù）變化不（bú）大（dà）。而東北地區，季節溫（wēn）差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至次（cì）年4月初為供暖期，機加工車（chē）間的設計有供暖，空氣流通（tōng）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（liàng）時室外溫度1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內溫（wēn）度變化約3.5℃。精密機床的加工精（jīng）度在這樣的車間（jiān）內受環境溫度影響將是很大的。

周圍（wéi）環境的影響機床周圍環境是指機（jī）床近距離範圍內（nèi）各（gè）種布（bù）局形成的熱環境。

它們包括以下4個方（fāng）麵：

1）車間小氣候：如車間內溫度的分布（垂直方（fāng）向、水平（píng）方向）。當晝夜交替或氣候以及通風變化時車間溫度均會產生（shēng）緩慢（màn）變化。

2）車（chē）間熱源：如太（tài）陽照射、供暖設備和大功率照明（míng）燈的輻射等，它們離機床較近（jìn）時可直接長時間影響機床整體或部分部件的（de）溫（wēn）升。相鄰設備在運行時產生的熱量會以幅射或空（kōng）氣流動（dòng）的方式影（yǐng）響機床溫升。

3）散（sàn）熱：地基有較（jiào）好的散熱作用，尤其是精密機床的地基切忌靠近（jìn）地下供熱（rè）管道，一旦破裂泄漏時，可能成為一個難以找到原因的熱（rè）源；敞開（kāi）的車間將是（shì）一個很好（hǎo）的“散熱（rè）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精度和加工精度是很有效果的，但能耗較大。

3、機床內部熱影響因素

1）機床結構性熱源。電動機發熱如主軸電動機（jī）、進給伺服電動（dòng）機、冷卻潤滑泵（bèng）電（diàn）動機、電控箱等均可產（chǎn）生熱量。這些情況對電動機本身來說是允許的，但對於主軸（zhóu）、滾珠絲杠等元（yuán）器件則有重大（dà）不利影響，應采取措（cuò）施予以隔離。當輸入電能驅動電動機運轉時，除了有少部分（fèn）（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（zhóu）旋轉、工（gōng）作台（tái）運動等；但不可避免的仍有（yǒu）相當部分（fèn）在運動過程中轉化為摩擦發熱，例如軸承、導軌、滾珠絲杠和傳（chuán）動（dòng）箱等機構發熱。

2）工（gōng）藝過程的切削熱。切削過程中刀具（jù）或工件的動能一部分消耗（hào）於切削功（gōng），相當一部分則轉化（huà）切削的變形能和切（qiē）屑與刀（dāo）具間的摩擦熱，形成刀具（jù）、主軸和工件發熱，並由大量切屑熱傳導給機床的工作台（tái）夾具等部件（jiàn）。它們將直接影（yǐng）響（xiǎng）刀具和工件（jiàn）間的相對位置。

3）冷卻。冷卻（què）是針對機床溫度升高的反向措（cuò）施，如電動機冷卻、主軸部件冷卻以及基礎結構件冷卻等。****機床往往對電控箱（xiāng）配製冷機，予以強迫冷卻。

4、機（jī）床的（de）結構形態對（duì）溫升的影響在機床熱變形領域討論機床結構形態（tài），通常指結構形式、質量分布、材料性能和熱源分布等問題。結構形態影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱變形方向及（jí）匹配等（děng）。

1）機床（chuáng）的結構（gòu）形態。在（zài）總體結構方麵，機床有（yǒu）立式、臥式、龍門式和懸臂式等，對於熱的響應和穩定性均有較大差異。例如（rú）齒輪變速的車床主軸箱的溫升可高達35℃，使主軸端上抬，熱平衡時間需2h左右。而斜床身（shēn）式（shì）精密車銑加工中心，機床有一個穩定的底座。明顯提高了整機（jī）剛度（dù），主軸采用伺服（fú）電動機驅動，去除了齒輪傳動部（bù）分，其溫升一（yī）般小於15℃。

2）熱源分布的（de）影響。機床上通常認為熱源是指電動機（jī）。如主軸（zhóu）電（diàn）動機、進給電動機和（hé）液壓係統等，其實是不完全的。電（diàn）動機的發熱隻是在承擔負荷時，電流消耗在電樞阻抗上的能量，另有相當一部分能量（liàng）消耗於軸承、絲杠螺母和導（dǎo）軌等機（jī）構的摩擦功引（yǐn）起的發熱。所（suǒ）以可把電動機稱為一次（cì）熱源，將軸（zhóu）承、螺母、導軌和（hé）切屑稱之為二次熱源。熱變形則是所有這些熱源綜合影響的結果（guǒ）。一台立柱移動式立式加工中心在Y向進給（gěi）運動中溫升（shēng）和變形情況（kuàng）。Y向進給時工作台未作運（yùn）動，所以（yǐ）對X向的（de）熱（rè）變形影響很小。在立柱上，離Y軸的（de）導軌絲杠越遠的點，其溫升越小。該機在Z軸移動（dòng）時（shí）的情況（kuàng）則（zé）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，故熱變形影響更（gèng）小，立柱上離Z軸電（diàn）動（dòng）機螺母越近，溫升及變形也（yě）越大。

3）質量分布的影響。質量分布對機床熱變形的影響有三方麵。其一，指質量大小（xiǎo）與集中程度，通常指改變熱容量和熱傳遞的（de）速度，改變達到熱平衡的時間

二，通過改（gǎi）變質量的布置形（xíng）式（shì），如各種筋板的布置，提高結構的熱剛度，在同樣溫升的情況下，減小熱（rè）變形影響或保持相對變形較小；

其三，則（zé）指通過改變質量（liàng）布置的形式，如在結構（gòu）外部布（bù）置散（sàn）熱筋板，以（yǐ）降低（dī）機床部件的溫升（shēng）。

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

1、機床熱性能測試的目的控（kòng）製機床熱變形的關鍵是通過熱特性（xìng）測試，充分了解機床所處的環境溫度的變化，機床本身熱源及溫（wēn）度變化以（yǐ）及關鍵點的響應（變形位（wèi）移）。測試數據或曲線描述一台機床熱特性，以便（biàn）采取（qǔ）對策，控（kòng）製熱變形，提高機床的加工（gōng）精度（dù）和（hé）效率。

具體地說，應達到以下（xià）幾個目的：

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

2）機床本（běn）身的熱特性測（cè）試。盡可能地排除環境（jìng）幹擾的條件下，讓機床處於各種運轉狀態，以測量機床本身的重要點位（wèi）的溫度變化、位移變化，記錄在足夠長（zhǎng）的時間段內的溫度變（biàn）化（huà）和關鍵點位移，也可用紅外線熱相儀記錄各時間段熱（rè）分布的（de）情況。

3）加工過程測試溫升熱變形，以判斷機床熱變形對加工過程精度的影響。

4）上述試驗可積累大量的數據、曲線，將為機床設計和使用者控（kòng）製熱（rè）變形提供可靠的判據，指出采（cǎi）取（qǔ）有效措施的方（fāng）向（xiàng）。

2、機床熱變形測試的原理（lǐ）熱變（biàn）形測試首（shǒu）先需要測量若幹相關點的溫度，包（bāo）含以下（xià）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、主軸軸承。

2）輔助裝置：包括液（yè）壓係統、製冷機（jī）、冷卻和（hé）潤滑位移檢測係統（tǒng）。

3）機械結構（gòu）：包括床身、底座、滑板、立柱和銑頭箱體和主軸。在主軸和回轉工作台（tái）之間夾持有銦鋼測棒，在X、Y、Z方向配（pèi）置了5個接觸式傳感器，測量在各種狀態下的綜合變形（xíng），以模擬刀具和工件間的相對位移。

3、測試（shì）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行，進行連續的數據（jù）記錄，經過分析處（chù）理，所反（fǎn）映的（de）熱變形特性可靠性（xìng）很高。如果通過多次試驗進行誤差剔除，則所顯示的規（guī）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2在主軸端部和靠近主軸軸承處，點4、點5分別在銑頭殼體靠近Z向導軌處。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，主軸持續以9000r/min高速旋轉。

可以以下結論：

1）該主（zhǔ）軸的熱平衡時間約1h左右，平衡後溫升變化範（fàn）圍（wéi）1.5℃；

2）溫升主要來源於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向影響很小；

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

5）當轉速持續在9000r/min時，溫升急劇上升，在（zài）2.5h內急升7℃左（zuǒ）右，且有繼續上升的（de）趨勢，Y向和Z向的變形達到了29m和37m，說明該主軸在轉速為9000r/min時已不能穩定（dìng）運行，但（dàn）可以（yǐ）短時（shí）間內（20min）運行。機（jī）床熱變形的控製由（yóu）以上分析討（tǎo）論（lùn），機床的溫升和熱變形（xíng）對（duì）加工精度的影響因素多種（zhǒng）多樣，采取（qǔ）控製措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二項措施，取得事半功倍的效果（guǒ）。

在設計中應從4個方向入手：減少（shǎo）發熱，降低溫升，結構平衡，合理冷卻。

1、減少發熱控（kòng）製（zhì）熱源是根本的措施。在設計中要（yào）采（cǎi）取措施有效降低熱源的發熱量。

1）合理選（xuǎn）取電動機的額（é）定功率。電動機（jī）的輸出功率P等於（yú）電壓V和電流I的乘積，一（yī）般（bān）情況下，電壓V是恒定（dìng）的，因此，負荷的增大，意味著（zhe）電動機輸出功率增大，即相應的電流I也增大，則電流消耗在（zài）電樞阻抗（kàng）的熱量增大。若（ruò）羞羞网站所設（shè）計選擇的電（diàn）動機長時（shí）間在接近或大大超過額定功（gōng）率的（de）條件下工（gōng）作，則電動機的溫升（shēng）明顯增大。為此，對BK50型數控針（zhēn）槽銑床銑（xǐ）頭進行（háng）了對比（bǐ）試驗（yàn）（電動機轉速：960r/min；環（huán）境溫度：12℃）。從上述試驗以下概念：從熱源性能考慮（lǜ），無論主軸電動（dòng）機還是進給電動機，選擇額定功（gōng）率時，盡量選比計算功率大25%左右（yòu）為宜，在實際運行中，電動機的（de）輸出功率與負荷相匹配（pèi），增大電動機額定功率對於能耗的影響很（hěn）小（xiǎo）。但可有效降低電動機（jī）溫（wēn）升。