溫度對機床加工精度有哪些影響

熱變形是影響加工（gōng）精度的原因之一機床受到車間環境溫度的變化、電動機發熱和機械（xiè）運動摩擦發熱、切削熱以及冷卻介質的影響，造成機床各部的溫升不均（jun1）勻，導致機床形態精度及加工精度的變化。例（lì）如，在一台普通精度的數控銑床上加工70mm×1650mm的（de）螺杆，上午7:30-9:00銑削的工件與下午2:00-3:30加工的工件相比，累積誤差的變化可（kě）達85m。而在恒溫條件下，則誤差可減小至40m。

再如，一台用於雙端麵磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼（gāng）片工件的精密雙端麵磨床，在（zài）驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到mm的尺寸精（jīng）度（dù），彎曲度在全長內小於5m。但連續自動磨削1h後，尺寸變化範圍增大（dà）到12m，冷卻液溫度由（yóu）開機時的17℃上升到45℃。由於磨削（xuē）熱的影響，導致主軸軸頸伸長，主軸前軸承間隙增大。據此，為該機床冷卻（què）液（yè）箱添加一（yī）台5.5kW製（zhì）冷機，效果十分理想。實踐（jiàn）證明，機床受熱（rè）後的變形是影響（xiǎng）加工精度的重要原因。但機（jī）床是（shì）處在溫度隨時隨處變化的環（huán）境中；機床本身在工作時必然會消耗能量，這些能（néng）量的相當一部（bù）分會以各種方式轉化為（wéi）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（de）差異等原（yuán）因而千差萬別。機床設計師應掌握熱的形成機理和溫（wēn）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少到（dào）小。

機（jī）床的溫升及溫度分布、自然氣候影響（xiǎng）我國幅員遼闊，大部（bù）分（fèn）地區（qū）處（chù）於亞熱帶地區，一年（nián）四季的溫度變化較大，****內溫差變（biàn）化也（yě）不一（yī）樣。由此，人們對室內（如車間）溫度（dù）的幹預的方式和程度也（yě）不同，機床周圍的（de）溫度氛圍千差萬別。例（lì）如，長三角地區季節溫度變化範圍約45℃左右（yòu），晝夜溫度變化約5～12℃。機加（jiā）工車間一般（bān）冬（dōng）天無供熱，夏天無（wú）空調，但隻要（yào）車間通風較好，機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區，季節溫差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至次年4月初為供暖期，機加工車間的設（shè）計有供暖，空氣（qì）流通不足。車間（jiān）內（nèi）外溫差可達（dá）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，車間內溫度變化約3.5℃。精密機床的加工精（jīng）度在這樣的車間內受環境溫度影響將是很大的。

周圍（wéi）環境的影響（xiǎng）機床周圍環境是指機床（chuáng）近距離（lí）範圍內各種布局（jú）形成的熱環境。

它們包括以下4個方麵：

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

2）車間熱源：如太陽照射（shè）、供暖設備和大功率照（zhào）明燈（dēng）的輻射等，它們離機床較近時可直接長時間影響（xiǎng）機床整（zhěng）體或部分部件的溫升。相鄰設備在運行時產生（shēng）的熱量會以幅（fú）射或（huò）空氣流動（dòng）的方式影響機（jī）床溫升。

3）散熱：地基有較好的散熱作用，尤其是精密機床的地（dì）基切忌靠近地下供（gòng）熱管道（dào），一旦破裂（liè）泄（xiè）漏時，可能成（chéng）為一個難以找到原（yuán）因的熱源；敞開的車間將是一個很好的“散（sàn）熱器”，有利於車間溫度均衡。

4）恒溫：車間采取恒（héng）溫設施對精密（mì）機床保持精度和加工精度是很有效果（guǒ）的，但能耗較大。

3、機床內（nèi）部（bù）熱影響因素

1）機床（chuáng）結（jié）構性熱（rè）源（yuán）。電動（dòng）機發熱如主軸電動（dòng）機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵（bèng）電動機、電控箱等均可產生（shēng）熱量。這些情況對電動機本身來說是允許的，但對於主軸、滾珠絲杠等元器（qì）件則有重大不利影響，應采（cǎi）取措施予以（yǐ）隔離。當輸入電（diàn）能驅動電動機運轉時，除了（le）有少（shǎo）部分（約20%左右）轉化為電動機熱能（néng）外，大部分將由運動（dòng）機（jī）構轉化為動能，如主軸旋轉、工作台運動等（děng）；但不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉化為摩（mó）擦發熱，例如軸承、導軌（guǐ）、滾（gǔn）珠絲杠和傳動箱等機（jī）構發熱。

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

3）冷（lěng）卻。冷卻是針對機床溫度升高的反向措施，如電動機冷卻、主軸部件冷卻以及基礎結構件冷卻等（děng）。****機床往往對電控（kòng）箱配製冷機（jī），予以強迫冷卻。

4、機床的結構形態對溫升的影響在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等問題。結構形態影響機床的溫（wēn）度分布（bù）、熱量的傳導方向、熱變形方向及匹配等。

1）機床的結構形態。在總體結構方麵，機床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等，對於熱的響應和穩定（dìng）性均有較（jiào）大差異。例如齒輪（lún）變（biàn）速（sù）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。而斜床身式（shì）精密車銑加工中心，機床（chuáng）有一個穩定的底座（zuò）。明顯提高了整機剛度，主軸采用伺服電動機驅動，去（qù）除了齒輪傳（chuán）動部分（fèn），其溫升一般小於15℃。

2）熱源分布的影響。機床上通常認為熱源是指電動機。如主軸電動機（jī）、進給電動機和液壓係統等，其實是不完全（quán）的。電動機的發熱隻（zhī）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（yī）部分能量消耗於軸承、絲杠螺（luó）母和導軌等機構的摩擦（cā）功（gōng）引起的發熱。所以可把電動機稱為（wéi）一次熱源，將軸承、螺母、導軌和切屑稱之為二次熱源。熱變（biàn）形（xíng）則是所有這些熱源綜合（hé）影響的結果（guǒ）。一台立柱移動式立式加工中心在Y向進給運動（dòng）中溫升和變形情況。Y向進給時工作台未作運動，所以對X向的熱變（biàn）形影響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越遠的點（diǎn），其溫升越小。該機在（zài）Z軸移動時的情況則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，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機螺母越近，溫（wēn）升及變形也越大。

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

二，通過改變質量的布置形式，如各種筋板的布（bù）置，提高結（jié）構的熱剛度（dù），在同樣溫升（shēng）的情況下，減小熱變形影響（xiǎng）或保持相對變形較小；

其（qí）三，則指（zhǐ）通過改變質（zhì）量布置的形式，如（rú）在結構外部布置（zhì）散熱筋（jīn）板，以降低機（jī）床部件的溫升。

材料性能的（de）影響：不（bú）同的材料有不同的熱性能參數（shù）（比（bǐ）熱、導熱率和線膨脹係數），在同樣熱量（liàng）的影響下，其溫升、變形均有（yǒu）不（bú）同。機床熱性能的測試

1、機床熱性能測試的目的控製機床熱（rè）變形的關鍵是通過熱特性測（cè）試，充分了解機床（chuáng）所（suǒ）處的環境溫度的變化，機床本身熱源及溫度變化以及關鍵點的響（xiǎng）應（變形位移）。測試數據或曲線描述一台機床熱特性，以便采取對策，控製熱變（biàn）形，提高機床的加工精（jīng）度和效率。

具體（tǐ）地說，應達到以下幾個目的：

1）機床周圍（wéi）環境測試。測量車間內的溫度環境（jìng），它的空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變化（huà），甚至應測量季節變化對（duì）機床周圍溫度分布的影響。

2）機床本身（shēn）的熱特性測試。盡可能地排除環境幹擾的條件下，讓機床處於各種運轉狀態（tài），以（yǐ）測量機床本身的重（chóng）要點位的溫度變化、位移變（biàn）化，記錄在足夠長的時間段內的溫度變（biàn）化和關鍵點位移，也可用紅外線熱相儀記錄各時（shí）間段熱分布的情（qíng）況。

3）加工過程測試溫升熱變形，以判斷機床（chuáng）熱變形對加工過程（chéng）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（jì）和使用者控製熱（rè）變形提（tí）供可靠的判據，指出采取有（yǒu）效措施的方向（xiàng）。

2、機床熱變形測試的原理熱變形測（cè）試（shì）首先需要測量若幹相關點的溫度，包含（hán）以下幾方麵：

1）熱源：包括各部分進給（gěi）電動機、主軸電動機（jī）、滾（gǔn）珠絲杠傳動（dòng）副、導軌、主軸軸承。

2）輔助裝置：包括液壓係統、製冷機、冷卻和潤（rùn）滑（huá）位移檢測係統。

3）機械結構：包（bāo）括床身、底（dǐ）座（zuò）、滑板、立柱（zhù）和銑頭箱體和主軸。在主軸和回（huí）轉工作台之間夾持有銦鋼測棒（bàng），在X、Y、Z方向配置了（le）5個（gè）接觸式傳感器，測量在（zài）各種狀態下的綜合變形，以模擬刀具和工（gōng）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一個較長（zhǎng）的連續時（shí）間（jiān）內進行，進行連續的數（shù）據記錄，經（jīng）過分析處理，所反映的熱變形特性可靠性很高（gāo）。如果通（tōng）過多次（cì）試驗進行誤差剔除，則所顯示的規（guī）律性是可（kě）信（xìn）的。主軸係統熱（rè）變形試驗中（zhōng）共設置了5個測量點，其中點1、點2在主軸（zhóu）端部（bù）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（cè）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（tì）變速，從第10h開始（shǐ），主軸持續以9000r/min高（gāo）速旋轉。

可以以下結論：

1）該主軸的（de）熱平衡時間（jiān）約1h左右，平衡（héng）後溫升變化（huà）範圍1.5℃；

2）溫升主（zhǔ）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（yǐng）響很小；

4）Z向伸縮（suō）變（biàn）形較大，約10m，是由主軸的熱伸長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（shēng），在2.5h內急升7℃左右，且有繼續上升的趨勢，Y向和Z向的變形（xíng）達到了29m和37m，說明該（gāi）主（zhǔ）軸在轉速為9000r/min時已（yǐ）不能（néng）穩定運行，但可以短時間內（20min）運行。機床熱（rè）變形（xíng）的控製由（yóu）以上（shàng）分析討論，機床的溫升和熱（rè）變形對加（jiā）工精度的影響因素（sù）多種多樣，采取控製措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二項措施，取得事半功倍的（de）效果。

在設計中應（yīng）從4個方向入（rù）手：減（jiǎn）少發熱，降低溫升，結構平衡，合理冷卻。

1、減少發熱控製熱源是（shì）根本（běn）的措施。在設（shè）計中要采取措施有效（xiào）降低熱源的發熱量。

1）合理選取電動機的額定（dìng）功率。電動機的輸出（chū）功率P等於電壓（yā）V和電流I的乘積（jī），一般情況下，電壓V是恒（héng）定的，因此，負荷的增大（dà），意味著（zhe）電動機輸出功率增大，即相應（yīng）的電流I也增大，則電（diàn）流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若向日葵视频官网所設計選擇的電（diàn）動機長時間在接（jiē）近或大（dà）大超過（guò）額定功率的條件下（xià）工作，則電動機的溫升明顯（xiǎn）增大。為此，對BK50型數控針槽（cáo）銑（xǐ）床銑頭進行了對（duì）比（bǐ）試驗（電動機轉速：960r/min；環境溫度：12℃）。從上述試驗（yàn）以下概念：從熱源性能考慮，無論主（zhǔ）軸電動機還是進給（gěi）電（diàn）動機，選擇額（é）定功率時，盡量選比計算功率大25%左右為宜，在實際運行中，電動機的輸（shū）出功率與負荷相匹配，增大電動機額定功率對於能耗的影響很小。但可有效降低電動機溫升。