時間:2025-12-15 15:28 作者(zhě):admin 點擊: 次
熱(rè)變形是影(ying)響機床加(jiā)工精度的(de)原因之一(yī)。機床受到(dao)車間環境(jìng)溫度變化(huà)、電動機發(fa)熱和機械(xiè)運動摩擦(cā)發熱、切削(xue)熱以及冷(lěng)卻介質的(de)影響，會導(dǎo)緻機床各(ge)部的溫升(sheng)不均勻，導(dǎo)緻機床形(xing)态精度及(jí)加工精度(dù)的變化。比(bi)如，在一📧台(tái)普通精度(du)的數控銑(xi)床上加工(gong)70mm×1650mm的螺杆，上(shàng)🔞午7:30-9:00銑削的(de)工件與下(xia)午2:00-3:30加工的(de)工件相比(bǐ)，累積誤差(chà)的變化可(ke)達85m。而在恒(heng)溫的條件(jian)下，誤差可(kě)以減小到(dao)40m。
再比如，一(yī)台用于雙(shuang)端面磨削(xue)0.6～3.5mm厚的薄鋼(gang)片工件的(de)精密雙端(duān)面磨床，在(zài)驗收時加(jiā)工200mm×25mm×1.08mm鋼片工(gong)件能達到(dao)mm的尺🔞寸精(jīng)度，彎曲度(dù)在全長内(nèi)小于5m。但連(lián)續自動磨(mó)削1h後，尺寸(cùn)變化範圍(wei)增大至12m，冷(lěng)卻液溫⛹🏻♀️度(du)由開機時(shí)的17℃上升到(dào)45℃。由于磨削(xue)熱的影響(xiǎng)🔞，導緻主軸(zhou)軸頸伸長(zhang)，主軸前軸(zhou)承間隙增(zeng)大。據此，為(wei)該機床冷(lěng)卻液箱添(tiān)👉加一台5.5kW制(zhi)冷機，效果(guǒ)十分理想(xiǎng)。實踐證明(ming)，機床受熱(re)後的變形(xing)是影響加(jiā)工精🏃♂️度的(de)重要原因(yin)。但機床是(shì)處在溫度(dù)随時随處(chu)☀️變化的環(huán)境中；機床(chuáng)🙇🏻本身在工(gong)作時必然(ran)會消耗能(néng)量，這些能(neng)♋量的相當(dāng)一部分會(hui)以各種方(fāng)式轉化☀️為(wei)熱，引起機(ji)床各構件(jian)的物理變(bian)化，這種變(bian)化又因為(wéi)結構形💞式(shì)的不同，材(cai)質的差異(yi)㊙️等原因而(ér)千差萬别(bie)。機床設計(ji)師🈲應掌握(wò)熱的形成(cheng)機理和溫(wēn)度分布規(gui)律，采取相(xiang)應的措施(shī)，使熱變形(xing)對加工精(jing)度的🔴影響(xiǎng)縮減到最(zui)低。
我們國(guó)家幅員遼(liao)闊，大部分(fen)地區處于(yú)亞熱帶地(di)區🚶，一年四(sì)季的溫度(dù)變化較大(da)，一天内溫(wen)差變化也(ye)不一樣。因(yīn)此，人們對(duì)室内(如車(che)間)溫度的(de)幹預的方(fang)式和程度(du)也不同，機(jī)床周圍的(de)溫度氛圍(wéi)💰千差萬别(bie)。舉個例子(zǐ)，長三角地(dì)區季節溫(wen)度變化範(fan)圍🐪約45℃左右(yòu)，晝夜溫度(dù)變化約5～12℃。機(ji)加工車間(jian)一般冬天(tian)無供熱，夏(xià)天🛀🏻無空調(diao)，但隻要車(che)間通風較(jiào)好，機加工(gōng)車間的溫(wen)度梯度變(biàn)化不大。而(ér)東北地區(qū)，季節溫差(chà)可達60℃，晝夜(yè)變化約8～15℃。每(mei)年10月下旬(xun)至次年4月(yuè)初為供暖(nuǎn)期，機加工(gōng)車🌈間的設(she)計有供暖(nuan)，空氣🐕流通(tong)不📱足。車間(jiān)内外溫差(cha)可達50℃。因此(cǐ)車間内冬(dong)季的溫度(dù)梯度十分(fen)複雜，測量(liang)時📱室外溫(wēn)度1.5℃，時間為(wei)上午8:15-8:35，車間(jian)内溫度變(biàn)化約3.5℃。精密(mì)機床的加(jiā)工精度在(zài)這樣的車(che)間内受環(huan)境溫度影(yǐng)響将是很(hen)大的。
究竟(jìng)是哪些原(yuán)因，影響着(zhe)機床近距(jù)離範圍内(nei)各種布局(jú)形成的熱(rè)環境呢？
主(zhu)要包括以(yǐ)下4個方面(miàn)：
1)車間小氣(qì)候：如車間(jiān)内溫度的(de)分布(垂直(zhí)方向、水平(ping)方向)。當晝(zhou)夜交替或(huò)氣候以及(ji)通風變化(huà)時車間溫(wen)度均會産(chan)生緩慢變(bian)💃🏻化。
2)車間熱(re)源：如太陽(yáng)照射、供暖(nuǎn)設備和大(dà)功率照明(míng)燈🌍的輻射(shè)等，它們離(lí)機床較近(jin)時可直接(jie)長時間影(ying)響機床整(zheng)體或部分(fèn)部件的🐉溫(wen)升。相鄰設(shè)備在運行(háng)時産生的(de)💋熱量會以(yǐ)幅射或空(kong)氣🥰流動的(de)方式影響(xiang)機床溫升(sheng)。
3)散熱：地基(jī)有較好的(de)散熱作用(yong)，尤其是精(jīng)密機床的(de)地基切忌(jì)💘靠近地下(xià)供熱管道(dao)，一旦破裂(lie)洩漏時，可(ke)能成為一(yī)個難♉以找(zhǎo)✊到原因的(de)熱源；敞開(kai)的車間将(jiāng)是一個很(hěn)好的🌈“散熱(rè)器”，有利于(yu)車間溫度(dù)均衡。
4)恒溫(wēn)：車間采取(qu)恒溫設施(shī)對精密機(ji)床保持精(jing)度和加工(gōng)精度是很(hěn)有效果的(de)，但能耗較(jiào)大。
機床内(nèi)部熱影響(xiǎng)因素
1)機床(chuang)結構性熱(rè)源。電動機(ji)發熱如主(zhǔ)軸電動機(jī)、進給伺服(fú)電動機、冷(lěng)卻潤滑泵(beng)電動機、電(dian)控箱等均(jun)可産👄生熱(rè)量。這些情(qíng)況對電動(dòng)機本身來(lái)說是允許(xǔ)的，但⛹🏻♀️對于(yú)主軸、滾珠(zhu)絲杠等元(yuan)器件㊙️則有(you)重大不利(li)影響，應采(cai)取措施予(yu)以隔離。當(dang)輸入♋電能(neng)驅動🆚電動(dòng)機運轉時(shi)，除了少部(bù)分(約20%左右(yòu))轉化為電(diàn)動機熱能(neng)外，大部分(fèn)将由運☁️動(dòng)機構轉化(hua)為動🐪能，如(ru)主軸旋轉(zhuan)、工作台運(yùn)動等㊙️；但不(bú)可避免的(de)仍有相當(dang)部分在運(yùn)動過程中(zhōng)轉化為摩(mo)擦發熱，例(lì)如軸承、導(dǎo)軌、滾珠絲(si)杠和傳動(dòng)箱等🐅機構(gòu)發熱。
2)工藝(yì)過程的切(qie)削熱。切削(xuē)過程中刀(dāo)具或工件(jian)的動能一(yī)⁉️部分消✌️耗(hào)于切削功(gōng)，相當一部(bu)分則轉化(hua)切削的變(bian)♍形能和切(qiē)屑與刀具(jù)間的摩擦(ca)熱，形成刀(dao)具、主軸和(he)工件發熱(re)，并由大量(liàng)切屑熱傳(chuan)導給機床(chuáng)的工作台(tai)夾具等部(bu)件。它們将(jiang)直接影響(xiang)刀具⛱️和工(gong)件間的相(xiang)對位置。
3)冷(lěng)卻。冷卻是(shì)針對機床(chuáng)溫度升高(gāo)的反向措(cuo)施，如電動(dong)機冷🐉卻、主(zhu)軸部件冷(lěng)卻以及基(ji)礎結構件(jian)冷卻等。高(gao)端💛機床往(wang)往對電控(kong)箱配制冷(leng)機，予以強(qiang)迫冷卻。
機(ji)床的結構(gou)形态對溫(wēn)升的影響(xiang)在機床熱(re)變形領🔞域(yù)💋讨論機🌂床(chuáng)結構形态(tai)，通常指結(jié)構形式、質(zhi)量分布、材(cái)料🌏性能和(he)熱源分布(bù)等問題。結(jié)構形态影(ying)響機床的(de)溫度分布(bu)、熱量的傳(chuán)導方向、熱(rè)變形✏️方向(xiang)及匹配♊等(deng)。
1)機床的結(jié)構形态。在(zai)總體結構(gòu)方面，機床(chuang)有立式、卧(wo)式💋、龍👉門式(shi)㊙️和懸臂式(shì)等，對于熱(rè)的響應和(he)穩定性均(jun)有較大差(chà)異。例如齒(chi)輪變速的(de)車床主軸(zhou)箱的溫升(sheng)可高達📞35℃，使(shi)主軸端上(shàng)擡，熱平衡(heng)時間需2h左(zuǒ)右。而斜床(chuang)身式精密(mi)車銑加工(gong)中心，機床(chuáng)有一個穩(wen)定的底座(zuò)。明顯提高(gao)了整機剛(gang)度，主軸采(cai)用伺服電(diàn)動機驅動(dòng)🌈，去除了齒(chǐ)輪傳動部(bù)分，其溫升(shēng)一般小于(yu)15℃。
2)熱源分布(bu)的影響。機(ji)床上通常(cháng)認為熱源(yuan)是指電動(dong)機。如主軸(zhóu)㊙️電動機、進(jin)給電動機(jī)和液壓系(xi)統等，其實(shi)是不完全(quan)的。電動機(jī)的發熱隻(zhī)是在承擔(dān)負荷時，電(dian)流消耗在(zài)電樞阻抗(kang)上的能量(liang)🔆，另有相當(dang)一部分能(neng)量消耗于(yú)㊙️軸承、絲杠(gang)螺母和導(dǎo)軌等機構(gou)的摩擦功(gōng)⭐引起的發(fa)熱。所以可(kě)把電動機(jī)稱為一次(ci)熱源，将軸(zhou)承、螺母、導(dǎo)軌🌂和切屑(xiè)稱之為二(er)次熱源。熱(re)變形則是(shi)所有這些(xie)熱源綜✊合(hé)影響🧑🏾🤝🧑🏼的結(jié)果。一台立(li)柱移動式(shi)🙇🏻立式加工(gong)中心在Y向(xiang)進給運動(dòng)中溫升和(he)變形情況(kuàng)。Y向進給時(shi)工作台未(wei)作運動，所(suǒ)以對X向的(de)熱變形影(ying)響很小。在(zai)立柱上㊙️，離(li)Y軸的導軌(guǐ)絲杠越遠(yuan)的點，其溫(wēn)升越小。該(gāi)機在Z軸移(yi)動時的情(qing)況則更進(jìn)一步說明(ming)了熱源分(fen)布對熱變(bian)形的影響(xiǎng)。Z軸🌂進給離(li)X向更遠，故(gu)熱變形影(yǐng)✍️響更小，立(lì)柱上離Z軸(zhóu)電動機螺(luó)母越近，溫(wen)升及變形(xing)也越大。
3)質(zhì)量分布的(de)影響。質量(liàng)分布對機(jī)床熱變形(xing)的影響有(you)🏃♂️三方面。其(qí)一，指質量(liang)大小與集(jí)中程度，通(tong)常指改變(biàn)熱❤️容量和(he)熱傳遞的(de)速度，改變(biàn)達到熱平(píng)衡的時間(jiān)
其二，通過(guo)改變質量(liang)的布置形(xíng)式，如各種(zhǒng)筋闆的布(bu)置，提高‼️結(jie)構💋的熱剛(gang)度，在同樣(yàng)溫升的情(qing)況下，減小(xiǎo)熱變形影(yǐng)☁️響或保持(chi)相對變形(xíng)較小；
其三(san)，則指通過(guò)改變質量(liàng)布置的形(xing)式，如在結(jié)構外部✏️布(bù)置散熱筋(jīn)闆，以降低(di)機床部件(jian)的溫升。
材(cai)料性能的(de)影響：不同(tóng)的材料有(you)不同的熱(re)性能參🔞數(shu)(比熱、導熱(re)😍率和線膨(péng)脹系數)，在(zài)同樣熱量(liàng)的影響下(xia)，其溫升、變(biàn)形均有🔱不(bú)同。
機床熱(re)性能的測(ce)試
1、機床熱(re)性能測試(shi)的目的控(kòng)制機床熱(re)變形的關(guān)鍵是通過(guò)❗熱㊙️特性測(ce)試，充分了(le)解機床所(suǒ)處的環境(jìng)溫度的🙇🏻變(bian)化，機床💰本(ben)身熱源及(jí)溫度變化(huà)以及關鍵(jiàn)點的響應(ying)🏒(變形位移(yi))。測試數據(jù)或曲線描(miao)述一台機(jī)床熱特性(xing)，以🚶♀️便采取(qǔ)對🤞策，控制(zhi)熱變形，提(tí)高機床的(de)加工精度(dù)和效率。
2、機(jī)床熱變形(xing)測試的原(yuán)理熱變形(xíng)測試首先(xian)需要測量(liàng)若幹相關(guān)點的溫度(du)，包含以下(xià)幾方面：
1)熱(re)源：包括各(ge)部分進給(gei)電動機、主(zhǔ)軸電動機(jī)、滾珠絲杠(gang)傳🔴動副、導(dao)軌、主軸軸(zhou)承。
2)輔助裝(zhuāng)置：包括液(ye)壓系統、制(zhi)冷機、冷卻(què)和潤滑位(wèi)移😄檢測系(xi)統。
3)機械結(jie)構：包括床(chuang)身、底座、滑(hua)闆、立柱和(hé)銑頭箱體(tǐ)和主軸。在(zai)主軸和回(huí)轉工作台(tái)之間夾持(chí)有铟鋼測(ce)棒，在X、Y、Z方向(xiang)配置了5個(ge)接觸式傳(chuán)感器，測量(liàng)在各種狀(zhuang)态♌下的綜(zōng)合變形，以(yi)模拟刀具(ju)和👉工件間(jiān)的相對位(wei)移。
3、測試數(shu)據處理分(fèn)析機床熱(re)變形試驗(yan)要在一個(ge)較長的連(lian)續時間内(nei)進行，進行(hang)連續的數(shù)據記錄，經(jing)過分析處(chù)理，所反🐇映(yìng)的熱變♻️形(xíng)特性可靠(kào)性很高。如(ru)果通過多(duō)次試驗進(jìn)行誤差剔(tī)除，則所顯(xiǎn)示的規律(lǜ)性是可信(xìn)的。主軸系(xi)統熱變形(xíng)試驗中共(gòng)設置了5個(ge)測量點，其(qí)中點1、點2在(zai)主軸端部(bù)和靠近主(zhǔ)軸軸承處(chù)，點😄4、點5分别(bié)在銑頭殼(ke)體靠近Z向(xiang)導軌處。測(ce)試時間共(gòng)持🈚續了14h，其(qí)中前10h主軸(zhóu)🎯轉速分别(bié)在0～9000r/min範圍内(nèi)交替變速(su)，從第10h開始(shǐ)，主軸持續(xu)以9000r/min高速旋(xuan)轉。
因此，我(wǒ)們可以得(de)出以下結(jié)論：
1)該主軸(zhou)的熱平衡(héng)時間約1h左(zuǒ)右，平衡後(hou)溫升變化(hua)範圍1.5℃；
3)熱變形在(zài)X向影響很(hen)小；
5)當(dāng)轉速持續(xù)在9000r/min時，溫升(shēng)急劇上升(sheng)，在2.5h内急升(shēng)7℃左右，且有(you)繼續上升(sheng)的趨勢，Y向(xiang)和Z向的變(biàn)形達到了(le)29m和37m，說明該(gai)主軸在轉(zhuan)速為9000r/min時已(yǐ)不能穩定(dìng)運行，但可(kě)以短時間(jiān)内(20min)運行。機(ji)床熱變形(xíng)的控制由(you)以上🔞分析(xī)讨論，機床(chuáng)的溫升和(hé)熱變形🐆對(dui)加工精🧑🏽🤝🧑🏻度(du)的影響因(yin)素多種💛多(duo)樣，采取控(kòng)制措施時(shí)，應✏️抓住主(zhǔ)要矛盾，重(zhong)點采取一(yi)、二項措施(shi)，取得事半(bàn)功倍的效(xiào)果。在設計(jì)中應從4個(gè)方向入手(shǒu)：減少發熱(re)，降低溫升(sheng)，結構平衡(heng)，合理冷卻(que)。
