溫度對機牀加工精度有哪些影響xiǎng

熱變形是影響加工精度的原因之一機牀受到車間環境溫度的變化huà、電動機發熱rè和機械運動摩擦發熱、切削熱以及冷卻介質的影響xiǎng，造成機牀各部的溫升不均勻yún，導致機牀形態精度及加工精度的變化huà。例如rú，在一臺普通精度的數控銑牀上加工gōng70mm×1650mm的螺桿gǎn，上午wǔ7:30-9:00銑削的工件與下午wǔ2:00-3:30加工的工件相比bǐ，累積誤差的變化可達dá85m。而在恆溫條件下xià，則誤差可減小至zhì40m。

再如rú，一臺用於雙端面磨削xuē0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨牀chuáng，在驗收時加工gōng200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到dàomm的尺寸精度dù，彎曲度在全長內小於yú5m。但連續自動磨削xuē1h後hòu，尺寸變化範圍增大到dào12m，冷卻液溫度由開機時的de17℃上升到dào45℃。由於磨削熱的影響xiǎng，導致主軸軸頸伸長zhǎng，主軸前軸承間隙增大dà。據此cǐ，爲該機牀冷卻液箱添加一臺tái5.5kW製冷機jī，效果十分理想xiǎng。實踐證明míng，機牀受熱後的變形是影響加工精度的重要原因yīn。但機牀是處在溫度隨時隨處變化的環境中zhōng；機牀本身在工作時必然會消耗能量liàng，這些能量的相當一部分會以各種方式轉化爲熱rè，引起機牀各構件的物理變化huà，這種變化又因爲結構形式的不同tóng，材質的差異等原因而千差萬別bié。機牀設計師應掌握熱的形成機理和溫度分佈規律lǜ，採取相應的措施shī，使熱變形對加工精度的影響減少到小xiǎo。

機牀的溫升及溫度分佈bù、自然氣候影響我國幅員遼闊kuò，大部分地區qū處於亞熱帶地區，一年四季的溫度變化較大dà，****內溫差變化也不一樣yàng。由此cǐ，人們對室內nèi（如車間jiān）溫度的干預的方式和程度也不同tóng，機牀周圍的溫度氛圍千差萬別bié。例如rú，長三角地區季節溫度變化範圍約yuē45℃左右yòu，晝夜溫度變化約yuē5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱rè，夏天無空調diào，但只要車間通風較好hǎo，機加工車間的溫度梯度變化不大dà。而東北地區qū，季節溫差可達dá60℃，晝夜變化約yuē8～15℃。每年nián10月下旬至次年nián4月初爲供暖期qī，機加工車間的設計有供暖nuǎn，空氣流通不足zú。車間內外溫差可達dá50℃。因此車間內冬季的溫度梯度十分複雜zá，測量時室外溫度dù1.5℃，時間爲上午wǔ8:15-8:35，車間內溫度變化約yuē3.5℃。精密機牀的de加工精度在這樣的車間內受環境溫度影響將是很大的。

周圍環境jìng的影響機牀周圍環境是指機牀近距離範圍內各種佈局形成的熱環境。

它們包括以下xià4個方面miàn：

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

2）車間熱源yuán：如太陽照射shè、供暖設備和大功率照明燈的輻射等děng，它們離機牀較近時可直接長時間影響機牀整體或部分部件的溫升shēng。相鄰設備在運行時產生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影響機牀溫升shēng。

3）散熱rè：地基有較好的散熱作用yòng，尤其是精密機牀的地基切忌靠近地下供熱管道dào，一旦破裂泄漏時shí，可能成爲一個難以找到原因的熱源yuán；敞開的de車間將是一個很好的“散熱器qì”，有利於車間溫度均衡héng。

4）恆溫wēn：車間採取恆溫設施對精密機牀保持精度和加工精度是很有效果的de，但能耗較大dà。

3、機牀內部熱影響因素sù

1）機牀結構性熱源yuán。電動機jī發熱如主軸電動機、進給伺服電動機jī、冷卻潤滑泵電動機jī、電控箱等均可產生熱量liàng。這些情況對電動機本身來說是允許的de，但對於主軸zhóu、滾珠絲槓等元器件則有重大不利影響xiǎng，應採取措施予以隔離lí。當輸入電能驅動電動機運轉時shí，除了有少部分fēn（約yuē20%左右yòu）轉化爲電動機熱能外wài，大部分將由運動機構轉化爲動能néng，如主軸旋轉zhuǎn、工作臺運動等děng；但不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉化爲摩擦發熱rè，例如軸承chéng、導軌guǐ、滾珠絲槓和傳動箱等機構發熱rè。

2）工藝過程的切削熱rè。切削過程中刀具或工件的動能一部分消耗於切削功gōng，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rè，形成刀具jù、主軸和工件發熱rè，並由大量切屑熱傳導給機牀的工作臺夾具等部件jiàn。它們將直接影響刀具和工件間的相對位置zhì。

3）冷卻què。冷卻是針對機牀溫度升高的反向措施shī，如電動機冷卻què、主軸部件冷卻以及基礎結構件冷卻等děng。****機jī牀往往對電控箱配製冷機，予以強迫冷卻què。

4、機牀的結構形態tài對溫升的影響在機牀熱變形領域討論機牀結構形態，通常指結構形式shì、質量分佈bù、材料性能和熱源分佈等問題tí。結構形態影響機牀的溫度分佈bù、熱量的傳導方向xiàng、熱變形方向及匹配等děng。

1）機牀的結構形態tài。在總體結構方面miàn，機牀有立式shì、臥式shì、龍門式和懸臂式等děng，對於熱的響應和穩定性均有較大差異yì。例如齒輪變速的車牀主軸箱的溫升可高達dá35℃，使主軸端上擡tái，熱平衡時間需xū2h左右yòu。而斜牀身式精密車銑加工中心xīn，機牀有一個穩定的底座zuò。明顯提高了整機剛度dù，主軸採用伺服電動dòng機驅動，去除了齒輪傳動部分fēn，其溫升一般小於yú15℃。

2）熱源分佈的影響xiǎng。機jī牀上通常認爲熱源是指電動機。如主軸電動機jī、進給電動機和液壓系統等děng，其實是不完全的de。電動機的發熱只是在承擔負荷時shí，電流消耗在電樞阻抗上的能量liàng，另有相當一部分能量消耗於軸承chéng、絲槓螺母和導軌等機構的摩擦功引起的發熱rè。所以可把電動機稱爲一次熱源yuán，將軸承chéng、螺母mǔ、導軌和切屑稱之爲二次熱源yuán。熱變形則是所有這些熱源綜合影響的結果guǒ。一臺立柱移動式立式加工中心在zàiY向進給運動中溫升和變形情況kuàng。Y向進給時工作臺未作運動dòng，所以對duìX向的熱變形影響很小xiǎo。在立柱上shàng，離líY軸的導軌絲槓越遠的點diǎn，其溫升越小xiǎo。該機在zàiZ軸移動時的情況則更進一步說明了熱源分佈對熱變形的影響xiǎng。Z軸進給離líX向更遠yuǎn，故熱變形影響更小xiǎo，立柱上離líZ軸電動機螺母越近jìn，溫升及變形也越大dà。

3）質量分佈的影響xiǎng。質量分佈對機牀熱變形的影響有三方面miàn。其一yī，指質量大小與集中程度dù，通常指改變熱容量和熱傳遞的速度dù，改變達到熱平衡的時間jiān

二èr，通過改變質量的佈置形式shì，如各種筋板的佈置zhì，提高結構的熱剛度dù，在同樣溫升的情況下xià，減小xiǎo熱變形影響或保持相對變形較小；

其三sān，則指通過改變質量佈置的形式shì，如在結構外部佈置散熱筋板bǎn，以降低機牀部件的溫升shēng。

材料性能的影響xiǎng：不同的材料有不同的熱性能參數shù（比熱rè、導熱率和線膨脹係數shù），在同樣熱量的影響下xià，其溫升shēng、變形均有不同tóng。機牀熱性能的測試shì

1、機牀熱性能測試shì的目的控制機牀熱變形的關鍵是通過熱特性測試，充分了解機牀所處的環境溫度的變化huà，機牀本身熱源及溫度變化以及關鍵點的響應yīng（變形位移yí）。測試數據或曲線描述一臺機牀熱特性xìng，以便採取對策cè，控制熱變形xíng，提高機牀的加工精度和效率lǜ。

具體地說shuō，應達到以下幾個目的de：

1）機牀周圍環境測試shì。測量車間內的溫度環境jìng，它的空間溫度dù梯度，晝夜交替中溫度分佈的變化huà，甚至應測量季節變化對機牀周圍溫度分佈的影響xiǎng。

2）機牀本身的熱特性測試shì。儘可能地排除環境干擾的條件下xià，讓機牀處於各種運轉狀態tài，以測量機牀本身的重要點位的溫度變化huà、位移變化huà，記錄在足夠長的時間段內的溫度變化和關鍵點位移yí，也可用紅外線熱相儀記錄各時間段熱分佈的情況kuàng。

3）加工過程測試溫升熱變形xíng，以判斷機牀熱變形對加工過程精度的影響xiǎng。

4）上述試驗可積累大量的數據jù、曲線xiàn，將爲機牀設計和使用者控制熱變形提供可靠的判據jù，指出採取有效措施的方向xiàng。

2、機牀熱變形測試的原理熱變形測試首先需要測量若干相關點的溫度dù，包含以下幾方面miàn：

1）熱源yuán：包括各部分進給電動機jī、主軸電動機jī、滾珠絲槓傳動副fù、導軌guǐ、主軸軸承chéng。

2）輔助裝置zhì：包括液壓系統tǒng、製冷機jī、冷卻和潤滑位移檢測系統tǒng。

3）機械結構gòu：包括牀身shēn、底座zuò、滑板bǎn、立柱和銑頭箱體和主軸zhóu。在主軸和迴轉工作臺之間夾持有銦鋼測棒bàng，在zàiX、Y、Z方向配置了le5個接觸式傳感器qì，測量在各種狀態下的綜合變形xíng，以模擬刀具和工件間的相對位移yí。

3、測試數據處理分析機牀熱變形試驗要在一個較長的連續時間內進行xíng，進行連續的數據記錄lù，經過分析處理lǐ，所反映的熱變形特性可靠性很高gāo。如果通過多次試驗進行誤差剔除chú，則所顯示的de規律性是可信的。主軸系統熱變形試驗中共設置了le5個測量點diǎn，其中點diǎn1、點diǎn2在主軸端部和靠近主軸軸承處chù，點diǎn4、點diǎn5分別在銑頭殼體靠近jìnZ嚮導軌處chù。測試時間共持續了le14h，其中前qián10h主軸轉速分別在zài0～9000r/min範圍內交替變速sù，從第dì10h開始shǐ，主軸持續以yǐ9000r/min高速旋轉zhuǎn。

可以以下結論lùn：

1）該主軸的熱平衡時間約yuē1h左右yòu，平衡後溫升變化範圍wéi1.5℃；

2）溫升主要來源於主軸軸承和主軸電動機jī，在正常變速範圍內nèi，軸承的熱態性能良好hǎo；

3）熱變形在zàiX向影響很小xiǎo；

4）Z向伸縮變形較大dà，約yuē10m，是由主軸的de熱伸長及軸承間隙增大引起的；

5）當轉速持續在zài9000r/min時shí，溫升shēng急劇上升，在zài2.5h內急升shēng7℃左右yòu，且有繼續上升的趨勢shì，Y向和héZ向的變形達到了le29m和hé37m，說明該主軸在轉速爲wèi9000r/min時已不能穩定運行xíng，但可以短時間內nèi（20min）運行xíng。機牀熱變形的控制由以上分析討論lùn，機牀的溫升和熱變形對加工精度的影響因素多種多樣yàng，採取控制措施時shí，應抓住主要矛盾dùn，重點採取一yī、二項措施shī，取得事半功倍的效果guǒ。

在設計中應從cóng4個方向入手shǒu：減少發熱rè，降低溫升shēng，結構平衡héng，合理冷卻què。

1、減少發熱控制熱源是根本的措施shī。在設計中要採取措施有效降低熱源的發熱量liàng。

1）合理選取電動機的額定功率lǜ。電動機的輸出功率lǜP等於電壓yāV和電流liúI的乘積jī，一般情況下xià，電壓yāV是恆定的de，因此cǐ，負荷的增大dà，意味着電動機輸出功率增大dà，即相應的電流liúI也增大dà，則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大dà。若我們所設計選擇的電動機長時間在接近或大大超過額定功率的條件下工作zuò，則電動機的溫升明顯增大dà。爲此cǐ，對duìBK50型數控針槽銑牀銑頭進行了對比試驗yàn（電動機轉速sù：960r/min；環境溫度dù：12℃）。從上述試驗以下概念niàn：從熱源性能考慮lǜ，無論主軸電動機jī還是進給電動機，選擇額定功率時shí，儘量選比計算功率大dà25%左右爲宜yí，在實際運行中zhōng，電動機的輸出功率與負荷相匹配pèi，增大電動機額定功率對於能耗的影響很小xiǎo。但可有效降低電動機溫升shēng。