熱變形是影響加工精度的原因之一

       機床受到車間環(huán)境溫度的變化、電動機發(fā)熱和機械運動摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質的影響，造成機床各部的溫升不均勻，導致機床形態(tài)精度及加工精度的變化。

　    例如，在一臺普通精度的數(shù)控銑床上加工70mm×1650mm的螺桿，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，累積誤差的變化可達85m。而在恒溫條件下，則誤差可減小至40m

       再如，一臺用于雙端面磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨床，在驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到mm的尺寸精度，彎曲度在全長內小于5m。但連續(xù)自動磨削1h后，尺寸變化范圍增大到12m，冷卻液溫度由開機時的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，導致主軸軸頸伸長，主軸前軸承間隙增大。據(jù)此，為該機床冷卻液箱添加一臺5.5kW制冷機，效果十分理想。

       實踐證明，機床受熱后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化的環(huán)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。機床設計師應掌握熱的形成機理和溫度分布規(guī)律，采取相應的措施，使熱變形對加工精度的影響減少到zui小。

機床的溫升及溫度分布 

1.自然氣候影響

      我國幅員遼闊，大部分地區(qū)處于亞熱帶地區(qū)，一年四季的溫度變化較大，一天內溫差變化也不一樣。由此，人們對室內（如車間）溫度的干預的方式和程度也不同，機床周圍的溫度氛圍千差萬別。

     例如，長三角地區(qū)季節(jié)溫度變化范圍約45℃左右，晝夜溫度變化約5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱，夏天無空調，但只要車間通風較好，機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區(qū)，季節(jié)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復雜，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℃。精密機床的加工精度在這樣的車間內受環(huán)境溫度影響將是很大的。

2.周圍環(huán)境的影響

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

（2）車間熱源：如太陽照射、供暖設備和大功率照明燈的輻射等，它們離機床較近時可直接長時間影響機床整體或部分部件的溫升。相鄰設備在運行時產(chǎn)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：地基有較好的散熱作用，尤其是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熱源；敞開的車間將是一個很好的“散熱器”，有利于車間溫度均衡。

（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(fā)熱如主軸電動機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電動機、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，但對于主軸、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。當輸入電能驅動電動機運轉時，除了有少部分（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，如主軸旋轉、工作臺運動等；但不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉化為摩擦發(fā)熱，例如軸承、導軌、滾珠絲杠和傳動箱等機構發(fā)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于切削功，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，形成刀具、主軸和工件發(fā)熱，并由大量切屑熱傳導給機床的工作臺夾具等部件。它們將直接影響刀具和工件間的相對位置。

（3）冷卻。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。機床往往對電控箱配制冷機，予以強迫冷卻。

減少主軸熱變形的措施有以下四個方面：

1.減少熱源，重點放在主軸軸承的轉速、間隙調整及合理的預緊。對于推力軸承和圓錐滾子軸承，因其工作條件差發(fā)熱較大，必要時可以改用推力角接觸球軸承代替，以盡量減少某些零部件的摩擦發(fā)熱。

2.隔熱，使熱源遠離主軸，如將電動機、變速器隔離、采用分離傳動等。

3.散熱，加強潤滑冷卻、采用油冷、風冷等方式、加快熱量散發(fā)。

4.減少熱變形的影響，無論采用何種方式，只能減少熱變形而很難*消除熱變形，因此還應該采取措施，以減少熱變形的影響。

展望與愿景 

     控制機床熱變形是現(xiàn)代精密加工領域的一個重要課題，影響機床熱變形的因素又是非常復雜的。再者，現(xiàn)代切削加工中的高速、、精密三者并舉，則令機床的熱變形問題更顯突出。引起了機床制造界的廣泛重視。國內外機床界學者為此作了大量的研究，在理論上取得了相當?shù)倪M展。機床熱變形問題已成為機床研究中的基本理論之一。

由此，我們認為機床熱性能的優(yōu)化設計應從以下方面著手： 

（1）現(xiàn)代機床的設計階段，就應重視所設計機床未來應用的環(huán)境條件。 

（2）控制和配置熱源是關鍵。控制熱源主要是指控制能耗與動力源的匹配，采用新型結構，減少二次摩擦熱源，提高能源的利用率。　

（3）改變傳統(tǒng)思維，把冷卻、散熱、潤滑、排屑等裝置從機床的“輔助”部件地位，提升到“重要”部件地位，不能輕視。

（4）重視結構的對稱性和熱變形的方向的設計，讓熱變形對精度的影響減少到zui小，尤其要重視對結構件熱變形數(shù)學模型的研究和應用，以便為熱變形控制設計提供定性定量的指示。