熱變形是影響加工精度的原因之一

       機(jī)床受到車間環(huán)境溫度的變化、電動(dòng)機(jī)發(fā)熱和機(jī)械運(yùn)動(dòng)摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質(zhì)的影響，造成機(jī)床各部的溫升不均勻，導(dǎo)致機(jī)床形態(tài)精度及加工精度的變化。

　    例如，在一臺(tái)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(dá)85m。而在恒溫條件下，則誤差可減小至40m

       再如，一臺(tái)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(yàn)收時(shí)加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達(dá)到mm的尺寸精度，彎曲度在全長(zhǎng)內(nèi)小于5m。但連續(xù)自動(dòng)磨削1h后，尺寸變化范圍增大到12m，冷卻液溫度由開機(jī)時(shí)的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，導(dǎo)致主軸軸頸伸長(zhǎng)，主軸前軸承間隙增大。據(jù)此，為該機(jī)床冷卻液箱添加一臺(tái)5.5kW制冷機(jī)，效果十分理想。

       實(shí)踐證明，機(jī)床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因。但機(jī)床是處在溫度隨時(shí)隨處變化的環(huán)境中；機(jī)床本身在工作時(shí)必然會(huì)消耗能量，這些能量的相當(dāng)一部分會(huì)以各種方式轉(zhuǎn)化為熱，引起機(jī)床各構(gòu)件的物理變化，這種變化又因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式的不同，材質(zhì)的差異等原因而千差萬別。機(jī)床設(shè)計(jì)師應(yīng)掌握熱的形成機(jī)理和溫度分布規(guī)律，采取相應(yīng)的措施，使熱變形對(duì)加工精度的影響減少到zui小。

機(jī)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(nèi)溫差變化也不一樣。由此，人們對(duì)室內(nèi)（如車間）溫度的干預(yù)的方式和程度也不同，機(jī)床周圍的溫度氛圍千差萬別。

     例如，長(zhǎng)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(jī)加工車間一般冬天無供熱，夏天無空調(diào)，但只要車間通風(fēng)較好，機(jī)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(dá)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(jī)加工車間的設(shè)計(jì)有供暖，空氣流通不足。車間內(nèi)外溫差可達(dá)50℃。

    因此車間內(nèi)冬季的溫度梯度十分復(fù)雜，測(cè)量時(shí)室外溫度1.5℃，時(shí)間為上午8:15-8:35，車間內(nèi)溫度變化約3.5℃。精密機(jī)床的加工精度在這樣的車間內(nèi)受環(huán)境溫度影響將是很大的。

    科德數(shù)控股份有限公司位于有“東北之窗”“ 北方明珠 ”“浪漫之都”之稱的大連，大連地區(qū)位于我國東北部，地處北溫帶，是東北區(qū)zui溫暖的地方，屬季風(fēng)性大陸性氣候，但具有海洋性特點(diǎn)，氣候特征為：四季分明、氣候溫和；冬無嚴(yán)寒、夏無酷暑。

2.周圍環(huán)境的影響

（1）車間小氣候：如車間內(nèi)溫度的分布（垂直方向、水平方向）。當(dāng)晝夜交替或氣候以及通風(fēng)變化時(shí)車間溫度均會(huì)產(chǎn)生緩慢變化。

（2）車間熱源：如太陽照射、供暖設(shè)備和大功率照明燈的輻射等，它們離機(jī)床較近時(shí)可直接長(zhǎng)時(shí)間影響機(jī)床整體或部分部件的溫升。相鄰設(shè)備在運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)以幅射或空氣流動(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(jī)床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏時(shí)，可能成為一個(gè)難以找到原因的熱源；敞開的車間將是一個(gè)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(shè)施對(duì)精密機(jī)床保持精度和加工精度是很有效果的，但能耗較大。

科德數(shù)控股份有限公司亞洲zui大的地下恒溫恒濕工廠保證機(jī)床的精度，減少熱變形

3.機(jī)床內(nèi)部熱影響因素 

（1）機(jī)床結(jié)構(gòu)性熱源。電動(dòng)機(jī)發(fā)熱如主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服電動(dòng)機(jī)、冷卻潤(rùn)滑泵電動(dòng)機(jī)、電控箱等均可產(chǎn)生熱量。這些情況對(duì)電動(dòng)機(jī)本身來說是允許的，但對(duì)于主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響，應(yīng)采取措施予以隔離。當(dāng)輸入電能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了有少部分（約20%左右）轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)熱能外，大部分將由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，如主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等；但不可避免的仍有相當(dāng)部分在運(yùn)動(dòng)過程中轉(zhuǎn)化為摩擦發(fā)熱，例如軸承、導(dǎo)軌、滾珠絲杠和傳動(dòng)箱等機(jī)構(gòu)發(fā)熱。

（2）工藝過程的切削熱。切削過程中刀具或工件的動(dòng)能一部分消耗于切削功，相當(dāng)一部分則轉(zhuǎn)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(dǎo)給機(jī)床的工作臺(tái)夾具等部件。它們將直接影響刀具和工件間的相對(duì)位置。

（3）冷卻。冷卻是針對(duì)機(jī)床溫度升高的反向措施，如電動(dòng)機(jī)冷卻、主軸部件冷卻以及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)件冷卻等。機(jī)床往往對(duì)電控箱配制冷機(jī)，予以強(qiáng)迫冷卻。

減少主軸熱變形的措施有以下四個(gè)方面：

1.減少熱源，重點(diǎn)放在主軸軸承的轉(zhuǎn)速、間隙調(diào)整及合理的預(yù)緊。對(duì)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(shí)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(yuǎn)離主軸，如將電動(dòng)機(jī)、變速器隔離、采用分離傳動(dòng)等。
3.散熱，加強(qiáng)潤(rùn)滑冷卻、采用油冷、風(fēng)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(yīng)該采取措施，以減少熱變形的影響。

展望與愿景 

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

由此，我們認(rèn)為機(jī)床熱性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)從以下方面著手： 

（1）現(xiàn)代機(jī)床的設(shè)計(jì)階段，就應(yīng)重視所設(shè)計(jì)機(jī)床未來應(yīng)用的環(huán)境條件。 

（2）控制和配置熱源是關(guān)鍵。控制熱源主要是指控制能耗與動(dòng)力源的匹配，采用新型結(jié)構(gòu)，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(rùn)滑、排屑等裝置從機(jī)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(jié)構(gòu)的對(duì)稱性和熱變形的方向的設(shè)計(jì)，讓熱變形對(duì)精度的影響減少到zui小，尤其要重視對(duì)結(jié)構(gòu)件熱變形數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用，以便為熱變形控制設(shè)計(jì)提供定性定量的指示。