熱變形是影[Ying]響[Xiang]機床加工精[Jing]度的原因之一。機床受到[Dao]車間環境溫度變化(Hua)、電動[Dong]機發熱和(He)機械運動摩擦[Ca]發(Fa)熱、切削[Xue]熱[Re]以[Yi]及冷卻介[Jie]質的影響，會[Hui]導緻機床各部的溫升不均勻，導緻機(Ji)床形态精度及(Ji)加工精度(Du)的變(Bian)化。比如，在一台普通精度的數控[Kong]銑床(Chuang)上加工(Gong)70mm×1650mm的螺杆，上午(Wu)7:30-9:00銑削的[De]工件與下[Xia]午2:00-3:30加工[Gong]的工件相比，累積誤差的[De]變化可達85m。而(Er)在恒溫的條件(Jian)下，誤差可[Ke]以減[Jian]小到40m。

　　再比如，一(Yi)台用于雙端[Duan]面(Mian)磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼[Gang]片工件的(De)精密[Mi]雙端面磨床，在驗收時[Shi]加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到(Dao)mm的尺寸精(Jing)度，彎曲度在全長内[Nei]小于5m。但連[Lian]續自動磨削1h後，尺寸變化範圍增大至12m，冷卻液溫度(Du)由開機(Ji)時的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，導(Dao)緻主軸軸頸伸長[Zhang]，主軸前軸承間[Jian]隙增大。據此，為該機床冷(Leng)卻液箱添加[Jia]一台5.5kW制(Zhi)冷機，效果十分理想。實踐證明(Ming)，機床受熱(Re)後的變形是影響加工精度的重要原因[Yin]。但機床是處在溫度(Du)随時(Shi)随處變化(Hua)的環(Huan)境中；機床本身在工作時必然(Ran)會消耗能量，這[Zhe]些能量的相當[Dang]一部(Bu)分會以各(Ge)種方[Fang]式轉化為(Wei)熱，引起(Qi)機(Ji)床各構件[Jian]的物理變化，這種變化又[You]因為結構形[Xing]式(Shi)的不同，材質的(De)差異等原因而千差萬别。機床設[She]計師應掌握(Wo)熱的形成機(Ji)理和溫度分布規[Gui]律，采取相應的措施，使熱變形(Xing)對加工精度的[De]影響縮減到最低。

　　我們國家幅員遼闊(Kuo)，大部分[Fen]地區處于[Yu]亞熱(Re)帶地區，一年四季的溫度變[Bian]化(Hua)較大，一天内溫差變化[Hua]也不一樣。因此，人們對室内(如車間[Jian])溫(Wen)度的(De)幹預的(De)方(Fang)式和程度(Du)也不同，機床[Chuang]周圍的溫度氛圍千差萬(Wan)别。舉個例子(Zi)，長三角地[Di]區季節溫度變化範(Fan)圍約45℃左右，晝夜溫度變化約5～12℃。機加[Jia]工車間一般冬天無供熱，夏天無空調，但隻要車(Che)間通風較[Jiao]好，機加工[Gong]車間的(De)溫度梯度變[Bian]化不大。而東北地區，季節溫差可達60℃，晝[Zhou]夜(Ye)變化[Hua]約8～15℃。每年10月下旬[Xun]至次年4月初為供暖[Nuan]期，機加[Jia]工車間的設[She]計有供暖，空氣流通不足。車間内外溫[Wen]差[Cha]可達50℃。因此[Ci]車間内冬季的(De)溫度梯度[Du]十分(Fen)複雜，測量時室外溫度1.5℃，時間為(Wei)上[Shang]午8:15-8:35，車間[Jian]内溫[Wen]度變化約3.5℃。精密[Mi]機床的加工精度在[Zai]這[Zhe]樣的車間内受環[Huan]境溫度影響将是[Shi]很大的。

 

　　3)散[San]熱：地基有較好的[De]散熱作用，尤其是精[Jing]密機床的[De]地[Di]基切忌靠近(Jin)地下供熱管道，一旦破裂洩漏時(Shi)，可能(Neng)成為一個難以找到原因的熱(Re)源；敞開(Kai)的車間将是一(Yi)個很好的“散熱器”，有利于車間(Jian)溫度均衡。

 

　　4)恒溫：車間采取恒溫[Wen]設施對精密機[Ji]床保持精(Jing)度和加工精度是很(Hen)有效果的，但(Dan)能耗較(Jiao)大。

 

 

 

　　機[Ji]床的結構形[Xing]态對溫升的影響(Xiang)在機床熱變形領域讨論機床[Chuang]結(Jie)構形态，通常指結構形式(Shi)、質[Zhi]量分布、材料性能和熱源分布[Bu]等問[Wen]題。結構形态影響機床的(De)溫度分布、熱量的傳導方向、熱[Re]變形[Xing]方向及匹配等。

　　1)機床的結構形态。在總體結構(Gou)方面，機(Ji)床[Chuang]有立式、卧[Wo]式、龍門式和(He)懸臂式(Shi)等[Deng]，對于熱的響應和[He]穩定性均有較大差異(Yi)。例如齒輪變速的車床主軸箱的溫升(Sheng)可高達35℃，使[Shi]主[Zhu]軸端上擡，熱[Re]平衡時間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心(Xin)，機床有一個穩定的底座。明顯提高了整機剛度，主軸采[Cai]用伺服電動機驅動，去除了齒輪傳動部分，其(Qi)溫升一般小于15℃。

 

　　2)熱源分布[Bu]的影響。機床上通常(Chang)認為熱源是指電動機。如主軸電動機、進給電動機和液壓系統等，其[Qi]實[Shi]是不完全[Quan]的。電動機[Ji]的(De)發熱隻是在(Zai)承擔負荷時，電[Dian]流消耗在電樞阻抗上的能量，另有(You)相當一部(Bu)分[Fen]能量消(Xiao)耗于(Yu)軸承、絲杠螺母[Mu]和導軌等機構的摩擦功引起(Qi)的(De)發熱。所以可(Ke)把電動機稱為一次熱源，将軸[Zhou]承、螺母、導[Dao]軌和切屑稱之為[Wei]二(Er)次熱源。熱變形則(Ze)是[Shi]所有這些[Xie]熱源綜合影響的結果。一台立[Li]柱移動[Dong]式立式加工中心在Y向(Xiang)進給運動中溫(Wen)升和變形情況。Y向進給時工作台[Tai]未作運動，所以對X向的熱變[Bian]形影響很小。在[Zai]立柱上，離(Li)Y軸(Zhou)的(De)導軌絲杠[Gang]越遠(Yuan)的點，其溫(Wen)升越[Yue]小。該機在Z軸移動[Dong]時的情況則更進[Jin]一步說明了熱源(Yuan)分(Fen)布對熱變形的影響。Z軸進給離X向更[Geng]遠(Yuan)，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機螺(Luo)母越近[Jin]，溫升及[Ji]變形(Xing)也越大。

 

　　機床熱[Re]性能[Neng]的測試

 

 

　　1)熱源：包括各部分進給[Gei]電動機、主軸電(Dian)動機、滾珠絲杠傳動副(Fu)、導軌、主軸軸承[Cheng]。

 

　　2)輔助裝置：包括液壓系統、制冷機、冷卻(Que)和潤滑位移[Yi]檢(Jian)測[Ce]系統。

　　3)機械結構：包括床身、底[Di]座、滑(Hua)闆、立柱和銑(Xi)頭箱體和主[Zhu]軸。在(Zai)主軸和[He]回轉工作台之間(Jian)夾持有铟鋼測(Ce)棒，在X、Y、Z方向配置[Zhi]了5個[Ge]接觸式傳感器，測量在[Zai]各種狀态下的綜(Zong)合變形[Xing]，以模(Mo)拟刀具和工件間的相對位(Wei)移。

 

　　3、測(Ce)試數據處理分析機床熱變形試驗要[Yao]在一個較長[Zhang]的連續時間内進行，進行[Hang]連續的數據[Ju]記錄，經(Jing)過分析處理，所反映的熱變形特性可靠(Kao)性很高。如果通[Tong]過多(Duo)次試驗進行誤差剔除(Chu)，則所顯示[Shi]的規律[Lü]性是[Shi]可信的。主軸[Zhou]系統熱變形[Xing]試驗中共設置了5個測(Ce)量點，其(Qi)中點1、點2在主軸端部(Bu)和靠近主(Zhu)軸軸承處，點4、點[Dian]5分别在銑頭殼體靠近Z向導軌處。測[Ce]試時間共持續(Xu)了(Le)14h，其中前10h主軸轉速分别(Bie)在0～9000r/min範圍内交替(Ti)變速(Su)，從第10h開始(Shi)，主軸持(Chi)續以9000r/min高速旋轉。

 

 

　　4)Z向伸縮變形較大，約10m，是由主軸的(De)熱伸[Shen]長及軸(Zhou)承間隙增大[Da]引起的；

　　5)當轉速持續在9000r/min時，溫升急劇上升，在2.5h内急升(Sheng)7℃左右，且有[You]繼(Ji)續上升的趨[Qu]勢，Y向(Xiang)和Z向的變(Bian)形達到了29m和37m，說明該主軸在轉[Zhuan]速為9000r/min時已不能穩定運行，但可以短時間内(20min)運行[Hang]。機床熱變形[Xing]的控制(Zhi)由以上分析[Xi]讨論，機床的溫升和熱變(Bian)形對加工精度(Du)的影響因[Yin]素多種多(Duo)樣[Yang]，采取控制措施時，應抓住主要矛盾，重[Zhong]點采取一、二項措施，取得(De)事半功倍的[De]效果。在設計中應從4個[Ge]方向入手：減少[Shao]發[Fa]熱(Re)，降低溫[Wen]升，結構平衡[Heng]，合理冷卻。