熱變形是影響機[Jī]床加工精度的原因之一。機床受到車間環境溫度變化、電▾動▾機發(Fā)熱和機械運動摩擦發熱(Rè)、切削熱以及冷卻介質的影響(Xiǎng)，會導◊緻◊機床各部的溫升(Shēng)不均勻，導緻機床形[Xíng]态精度及加工[Gōng]精度的變化。比如，在一台普通精度的數控銑床上加工70mm×1650mm的▲螺▲杆，上午7:30-9:00銑削的工件與[Yǔ]下午2:00-3:30加工∇的∇[De]工件[Jiàn]相比，累◊積◊誤差的變[Biàn]化(Huà)可達85m。而在恒溫的[De]條件下，誤差可以(Yǐ)減小到40m。

　　再比如(Rú)，一台用于雙端面磨削0.6～3.5mm厚的(De)薄鋼片工[Gōng]件的精密雙端面磨床，在驗收時加[Jiā]工200mm×25mm×1.08mm鋼◈片◈工件能達●到●mm的尺寸精度，彎曲度在全長内小于5m。但連續自動○磨○削1h後，尺寸變化範圍增大至12m，冷◇卻◇液溫度由▿開▿[Kāi]機時的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，▲導▲[Dǎo]緻(Zhì)主軸軸頸[Jǐng]伸長，主軸(Zhóu)前軸承間隙增大。據○此○，為該機床冷卻▽液▽箱◆添◆加一台5.5kW制冷機(Jī)，效果十◊分◊理想。實踐(Jiàn)證明，機床[Chuáng]受熱後的[De]變形是影響加工精度的▿重▿要原因。但機[Jī]床是處在溫度随時随處變化的環∆境∆◆中◆(Zhōng)；機床本身在工作時[Shí]▿必▿然會◊消◊[Xiāo]耗能量，⋄這⋄些能量的相當一部分會以各種方式∆轉∆[Zhuǎn]化為熱，▽引▽[Yǐn]起機●床●各[Gè]構件的物理變化，這種變化又⋄因⋄為(Wéi)結構[Gòu]形式的不[Bú]同，材質的差異等原因而千差[Chà]萬别。機床設計師應掌握(Wò)熱的形成機理和溫[Wēn]度分布規律[Lǜ]，采(Cǎi)取相應的措施，使熱變形對加(Jiā)工精度的[De]影∇響∇縮減到[Dào]最低。

　　我(Wǒ)們國家幅員遼闊，大部分地區處于亞熱◇帶◇▽地▽區(Qū)，一年四季的溫[Wēn]度變化較大，一天(Tiān)内溫差變化也⋄不⋄◊一◊(Yī)樣。因此，人們對室内(如車間)溫(Wēn)度○的○幹預的方式和程度也◇不◇同，機床(Chuáng)周圍的溫○度○氛圍[Wéi]千差萬别。▿舉▿個例(Lì)子，長三角地區季節溫度變化範圍約45℃左右，晝夜溫◆度◆變化[Huà]約5～12℃。機加工車[Chē]間一般冬∇天∇[Tiān]無供熱，夏天◈無◈空調，但隻要車間通風較好，機(Jī)加工車間◈的◈溫度梯[Tī]度變化◆不◆[Bú]大。而東北地◊區◊，季[Jì]節溫差[Chà]可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月[Yuè]下旬至次[Cì]年4月初為供暖期，機加[Jiā]工車(Chē)間的設計∆有∆(Yǒu)供暖(Nuǎn)，空氣流通不足。車間(Jiān)内外溫差可達50℃。因此車●間●(Jiān)内冬季的溫度梯度十分複雜[Zá]，測(Cè)量時室外溫度1.5℃，⋄時⋄間為上午8:15-8:35，車間内溫[Wēn]度變化約3.5℃。精密機(Jī)床的加工精[Jīng]度在這●樣●的[De]車間内受環境溫度影響将是很大的。

 

　　3)散熱(Rè)：地基有較[Jiào]好的散∆熱∆[Rè]作用，尤其是精密機床的地基切忌靠近地◇下◇[Xià]供熱管道，▾一▾旦[Dàn]破裂洩漏時，可能成為一個難(Nán)以找(Zhǎo)到原[Yuán]因的熱源；▾敞▾開的車[Chē]間将是一個很好的“散熱器(Qì)”，有利于車間溫度均◆衡◆。

 

　　4)恒溫：車間[Jiān]采取恒溫設施對精[Jīng]密機床保(Bǎo)持精◊度◊和加工精度∆是∆很有效(Xiào)果的，但能耗較大。

 

 

 

　　機床的結構形态對溫升的影響在機[Jī]床熱變形領域讨論機床結構形态，通常指結構形[Xíng]式、質量分布、材料(Liào)性能和熱源分布等問題。結構形(Xíng)态影◈響◈機床的溫◈度◈[Dù]分布、熱量的傳導[Dǎo]方向、熱(Rè)變形[Xíng]方向[Xiàng]及匹配等。

　　1)機●床●的結構形态。在總體結構方面，機床有立式、卧式(Shì)、龍門式(Shì)和懸臂式等，對(Duì)▾于▾熱的響應和穩定性均有較(Jiào)大差異。例如齒輪◈變◈速的◈車◈床主軸箱的溫(Wēn)升可高[Gāo]達35℃，使主軸(Zhóu)端上▾擡▾，⋄熱⋄平衡時[Shí]間需2h左右。而[ér]斜床身式精密車銑▿加▿工中心，機床(Chuáng)有一(Yī)個穩定的底座。明(Míng)∆顯∆[Xiǎn]提高了整▾機▾剛度，主[Zhǔ]軸采用伺服電動機驅▿動▿，去除了齒輪傳[Chuán]動部分，其溫升一般[Bān]小于15℃。

 

　　2)熱源[Yuán]分布的影響。機床上○通○(Tōng)常認為[Wéi]熱源是指電動機。如主軸電動[Dòng]機、進給[Gěi]電動機和液壓系[Xì]統等，其實◆是◆不完全的。電動機的發熱隻∆是∆在承◇擔◇[Dān]負荷時，電流消耗在電樞[Shū]阻抗上的(De)能量，另有[Yǒu]相當一部分能量消耗于軸▽承▽(Chéng)、絲杠螺母和導[Dǎo]軌等機構的摩擦功引◇起◇的發熱。所以可把電[Diàn]動機稱為一次熱源(Yuán)，将軸承、螺母、導(Dǎo)軌和[Hé]切∇屑∇稱之▲為▲二次熱源。熱[Rè]變形則是所有這些熱源[Yuán]綜合影響的結果。一▲台▲立柱移(Yí)動式立式加工中心◈在◈Y向進給運動中溫(Wēn)升和變形情況。Y向▾進▾(Jìn)給時工作台未作運動，所以對X向的熱變(Biàn)形影(Yǐng)響很小[Xiǎo]。在立▾柱▾(Zhù)上，離Y軸的(De)導軌絲杠越遠的點，其溫升越小。該[Gāi]機在Z軸移動時[Shí]的情況則(Zé)更⋄進⋄[Jìn]一步(Bù)說明了熱源分布⋄對⋄熱變形的影響。Z軸進[Jìn]給離X◈向◈更遠，故熱變(Biàn)形[Xíng]影響更[Gèng]小，立柱上[Shàng]離Z軸電動機螺母∆越∆(Yuè)近，溫升及變形也▾越▾(Yuè)大。

 

　　機床熱性能[Néng]的測試(Shì)

 

 

　　1)熱源(Yuán)：包括各部◆分◆進給電動機、主軸電[Diàn]動機、滾珠絲杠傳動副、導軌、主軸軸承。

 

　　2)輔助裝置：包括液壓系(Xì)統、制冷機、冷卻和⋄潤⋄(Rùn)滑位移檢測系∇統∇。

　　3)機械結[Jié]構：包括床身、底座、滑(Huá)闆、立(Lì)柱[Zhù]和銑頭[Tóu]箱體和主[Zhǔ]軸。在主軸(Zhóu)和回轉[Zhuǎn]工作台之間夾持[Chí]有铟鋼測棒，在X、Y、Z方向配置了5個接觸式傳感器(Qì)，測量在各[Gè]種狀态下的綜合變形，以模拟刀具和工件間的相對位移。

 

　　3、測[Cè]試數據處理分析機(Jī)床熱(Rè)變▽形▽試◊驗◊要在[Zài]一個較長[Zhǎng]的(De)連續時間内進行，進行連續(Xù)的數據記錄，▾經▾過分析處(Chù)理，所反映的(De)∆熱∆[Rè]變形特性[Xìng]可⋄靠⋄性很高。如果▾通▾過多次試驗進[Jìn]行誤差剔除，則所顯示的規律性是[Shì]可信的。主軸系統(Tǒng)熱變形試驗中共設置了5▿個▿測量點[Diǎn]，其中點1、點2在主軸(Zhóu)端部和靠(Kào)近主軸軸承處，點4、點5分◊别◊[Bié]在銑頭殼體靠近Z向導軌處。測試時(Shí)間共持續了14h，其(Qí)中前10h主軸轉速分别在0～9000r/min範[Fàn]圍(Wéi)内交替變速，從第10h開始，主軸(Zhóu)持續以9000r/min高速旋轉。

 

 

　　4)Z▲向▲[Xiàng]伸縮變形(Xíng)較大，約10m，是由主軸的熱伸(Shēn)長[Zhǎng]及軸承間隙增大引起的；

　　5)當轉速持續在9000r/min▿時▿，溫升急劇上升，在2.5h内急◈升◈[Shēng]7℃左右，且有繼續(Xù)上(Shàng)升∆的∆趨勢，Y向和Z向的變形達到了29m和37m，說[Shuō]明該主軸∇在∇轉速▾為▾9000r/min時已不能穩定[Dìng]運行，但[Dàn]可以短時間内(20min)運◇行◇。機床熱變形的控(Kòng)制由以上分●析●讨(Tǎo)論，機床的溫升和熱變形對加工精度的影(Yǐng)響因素多(Duō)種(Zhǒng)多樣，采取控制措施時[Shí]，應抓住主要矛盾，重點▿采▿(Cǎi)取▿一▿、二項措施，取得[Dé]事半功倍的效果。在設計中應從4個方▲向▲入手：減少發熱，降低溫(Wēn)升，結構(Gòu)平衡，合理冷卻[Què]。