影(ying)響機床加工精(jīng)度的原因之熱(re)變形
時間:2025-12-13 15:28 作者(zhe):admin 點擊: 次
再比(bǐ)如，一台用于雙(shuāng)端面磨削0.6～3.5mm厚的(de)薄鋼片工件的(de)精密🐅雙端面磨(mó)床，在驗收時加(jiā)工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能(neng)達到mm的尺寸精(jīng)度，彎曲度在全(quan)長内小于5m。但連(lián)續自動磨削1h後(hou)，尺寸變化範圍(wéi)增🏃♂️大至12m，冷卻液(ye)溫度由開機時(shi)的17℃上升到45℃。由于(yú)磨削熱的影響(xiang)，導緻主軸♻️軸頸(jǐng)伸長🔞，主軸前軸(zhou)承間隙增大。據(ju)此，為該機床冷(lěng)卻液箱添加一(yi)台5.5kW制冷㊙️機，效果(guǒ)十分理想。實踐(jian)證明，機床♌受熱(re)後的變形是影(ying)響加工精💃🏻度的(de)重要⭐原因。但機(jī)床是處✔️在溫度(du)随時随處🏒變化(huà)的環境中；機床(chuáng)本身在工作時(shi)必然會消耗能(néng)量✉️，這些能量的(de)相當一部分會(huì)以各種方式轉(zhuan)化🈲為熱，引🥰起機(jī)床各構件的物(wù)理變🔅化，這種變(bian)化又因為結構(gòu)形👌式的不同，材(cai)質的差異等原(yuan)因而千差萬别(bie)。機床設計師應(yīng)掌握熱的形成(cheng)機理和溫🤞度分(fen)布規律，采取相(xiàng)應的措施，使熱(rè)變形對加工精(jīng)度的影響縮減(jiǎn)到最低。
我們國(guó)家幅員遼闊，大(da)部分地區處于(yu)亞熱帶地區，一(yi)年四♍季的溫度(dù)變化較大，一天(tiān)内溫差變化也(yě)不㊙️一樣。因此，人(ren)們🚩對室🥵内(如車(che)間)溫度的幹預(yù)的方式和程度(du)㊙️也不同，機床周(zhou)♋圍的溫度氛圍(wei)千差萬别。舉個(gè)例子，長三角地(di)區💜季節溫度變(biàn)化範圍約45℃左右(yòu)，晝夜溫度變化(huà)約5～12℃。機加工車間(jiān)一般冬天無供(gong)熱，夏天無空調(diào)，但隻要車間通(tōng)風較好，機加工(gong)車間的溫度梯(tī)度變化不大。而(ér)東北地區，季節(jie)溫差可達60℃，晝夜(ye)變化約8～15℃。每年10月(yuè)下旬至次年4月(yue)初為供暖期，機(jī)加工車間的設(shè)計有供暖，空氣(qì)🙇🏻流通不足。車間(jian)内外溫差可💞達(da)50℃。因此車間内冬(dong)季的溫度梯度(dù)十分複雜，測量(liang)時📞室外溫度1.5℃，時(shí)間為上午8:15-8:35，車間(jiān)内溫度變化約(yue)3.5℃。精密機床的加(jiā)工精度在這樣(yàng)的車間内受環(huán)境溫度影響将(jiang)是很大的。
主要包(bao)括以下4個方面(miàn)：
1)車間小氣候：如(ru)車間内溫度的(de)分布(垂直方向(xiàng)、水平方向)。當❄️晝(zhòu)夜交替或氣候(hou)以及通風變化(hua)時車間溫度均(jun1)會産生緩慢變(biàn)化。
2)車間熱源：如(ru)太陽照射、供暖(nuan)設備和大功率(lǜ)照明燈的🥵輻射(she)等，它🌈們離機床(chuáng)較近時可直接(jiē)長時間影響機(ji)床整體或部分(fen)部件的溫升。相(xiàng)鄰設備在運行(háng)時産生的熱量(liàng)會以幅射或空(kong)氣流動的方式(shi)影響機床溫升(shēng)。
3)散熱：地基有較(jiào)好的散熱作用(yòng)，尤其是精密機(jī)床的地基切🆚忌(ji)靠近地下供熱(rè)管道，一旦破裂(lie)洩漏時，可能成(cheng)🌏為一個難💯以找(zhǎo)到原因的熱源(yuán)；敞開的車間将(jiāng)是一個很好的(de)“散熱器🐕”，有利于(yu)車間溫度均衡(héng)。
4)恒溫：車間采取(qu)恒溫設施對精(jing)密機床保持精(jing)度和加工精度(dù)🤟是很有效果的(de)，但能耗較大。
機(jī)床内部熱影響(xiang)因素
3)冷卻。冷卻是(shì)針對機床溫度(dù)升高的反向措(cuò)施，如電動機冷(leng)卻、主軸部件冷(leng)卻以及基礎結(jie)構件冷卻等。高(gao)端機床往往對(dui)電控箱配制冷(leng)機，予以強迫冷(leng)卻。
機床的結構(gòu)形态對溫升的(de)影響在機床熱(re)變形領域讨💯論(lùn)機床結構形态(tai)，通常指結構形(xing)式、質量分布🙇♀️、材(cái)料♍性能和熱源(yuán)分布等🔅問題。結(jie)構形态影響機(ji)床的溫度分布(bu)、熱量的傳導方(fāng)向、熱變形方向(xiang)及匹配等。
1)機床(chuáng)的結構形态。在(zài)總體結構方面(mian)，機床有立式、卧(wò)式💞、龍門式和懸(xuán)臂式等，對于熱(rè)的響應和穩定(ding)性均有較♉大差(chà)🈲異。例如齒輪變(bian)😄速的車床主軸(zhóu)箱的溫升可高(gāo)達35℃，使主軸端上(shang)擡，熱平衡時間(jiān)需2h左右。而斜床(chuang)身式精密車銑(xi)加工中心，機床(chuáng)有一個穩😘定的(de)底座。明顯提高(gāo)了整機剛度，主(zhu)軸采用伺服🤟電(diàn)動機驅動🈲，去除(chu)了齒輪🤩傳動部(bu)分，其溫升一般(ban)小于15℃。
2)熱源分布(bu)的影響。機床上(shang)通常認為熱源(yuan)是指電動機☎️。如(rú)主軸電動機、進(jìn)給電動機和液(ye)壓系統等，其實(shí)是不完全的。電(diàn)動機的發熱隻(zhi)是在承擔負荷(hé)時，電流消耗在(zài)電樞阻抗上的(de)能量，另有相當(dang)一部分能量消(xiāo)耗于軸承、絲杠(gàng)螺母和導軌等(děng)機構的摩擦功(gōng)引起的發熱。所(suo)以可把電動機(jī)稱為一次熱源(yuan)，将軸承、螺母、導(dao)軌🌐和切屑稱之(zhī)為二次熱源。熱(rè)變形則是所有(you)這些熱源綜合(he)影響的結果。一(yī)台立柱移動式(shi)立式加工中心(xin)在Y向進給運動(dong)中溫升♋和變形(xing)情況。Y向進給時(shi)工作台未作運(yun)動，所以對X向的(de)熱變形影響很(hen)小。在立柱上，離(li)Y軸的導軌絲杠(gàng)越遠☁️的點，其溫(wēn)㊙️升越小。該機在(zài)Z軸移動時的情(qing)況則更進一步(bu)說明♊了熱源分(fen)布對熱變形的(de)影響✔️。Z軸進給離(li)X向更遠，故熱變(biàn)形影♋響更小，立(li)柱上離Z軸電動(dòng)機螺⚽母越近，溫(wēn)🤞升及變形也越(yue)🔴大。
3)質量分布的(de)影響。質量分布(bu)對機床熱變形(xíng)的影響有❗三😄方(fāng)✊面。其一，指質量(liang)大小與集中程(cheng)度，通常指改變(bian)熱容量☂️和熱傳(chuan)遞㊙️的速度，改變(bian)達到熱平衡的(de)時間
其二，通過(guò)改變質量的布(bu)置形式，如各種(zhǒng)筋闆的布置，提(ti)高結構的熱剛(gāng)度，在同樣溫升(shēng)的情況下，減小(xiǎo)熱變形影響或(huò)保持🛀🏻相對變形(xíng)較小；
其三，則指(zhi)通過改變質量(liang)布置的形式，如(rú)在結構外部布(bù)置散熱筋闆，以(yi)降低機床部件(jian)的溫升。
材料性(xing)能的影響：不同(tong)的材料有不同(tong)的熱性能參數(shù)(比熱、導✏️熱率和(he)線膨脹系數)，在(zài)同樣熱量的影(yǐng)響🈲下，其溫升㊙️、變(bian)形均有不同。
機(jī)床熱性能的測(ce)試
1、機床熱性能(neng)測試的目的控(kòng)制機床熱變形(xíng)的關鍵是通過(guò)熱特性測試，充(chong)分了解機床所(suo)處的環境溫度(dù)的變化，機床本(běn)身熱源💰及溫度(dù)變化以及關鍵(jian)點的響應(變形(xing)位移)。測試數據(ju)或🧡曲線描述一(yī)台機床熱特性(xìng)，以❓便采取對策(ce)，控制熱💯變形，提(ti)高機床的加工(gōng)精度和效率。
2、機(ji)床熱變形測試(shì)的原理熱變形(xíng)測試首先需要(yào)測量若幹相關(guan)點的溫度，包含(hán)以下幾方面：
1)熱(rè)源：包括各部分(fen)進給電動機、主(zhu)軸電動機、滾珠(zhu)絲杠傳動💋副、導(dao)軌、主軸軸承。
2)輔(fu)助裝置：包括液(yè)壓系統、制冷機(ji)、冷卻和潤滑位(wei)移檢測系統。
3)機(jī)械結構：包括床(chuang)身、底座、滑闆、立(lì)柱和銑頭箱體(tǐ)和主👣軸。在主軸(zhou)😍和回轉工作台(tai)之間夾持有铟(yīn)鋼測棒，在X、Y、Z方向(xiang)配置了5個接觸(chù)式傳感器，測量(liang)在各種狀态下(xià)的綜合變形，以(yi)模拟刀具和工(gong)件間的相對位(wei)移。
3、測試數據處(chu)理分析機床熱(re)變形試驗要在(zai)一個較☎️長的連(lian)續時間内進行(háng)，進行連續的數(shu)據記錄，經過分(fèn)析處理，所反映(yìng)的熱變形特性(xing)可靠性很高。如(rú)果通過多次試(shì)驗進行誤🛀差剔(ti)除🌈，則所顯示的(de)規律性是可信(xìn)的。主軸系統熱(re)變形試🔞驗中共(gòng)設置了5個測量(liang)點，其中點1、點2在(zài)主軸端部和靠(kao)近主♌軸軸承處(chu)，點4、點5分别在銑(xǐ)頭殼體靠近Z向(xiang)導軌處。測試時(shi)間共持續了14h，其(qi)中前10h主軸轉速(sù)分别在0～9000r/min範圍内(nei)交替變速，從第(dì)10h開始，主軸持續(xu)以9000r/min高速旋轉。
因(yin)此，我們可以得(dé)出以下結論：
1)該(gai)主軸的熱平衡(heng)時間約1h左右，平(píng)衡後溫升變化(huà)範圍1.5℃；
2)溫升主要(yao)來源于主軸軸(zhóu)承和主軸電動(dong)機，在正常變速(sù)🛀🏻範圍内🌂，軸承的(de)熱态性能良好(hao)；
3)熱變形在X向影(ying)響很小；
4)Z向伸縮(suō)變形較大，約10m，是(shì)由主軸的熱伸(shen)長及軸承間隙(xi)增♈大引起的；
5)當(dāng)轉速持續在9000r/min時(shi)，溫升急劇上升(sheng)，在2.5h内急升7℃左右(you)，且有繼續上升(shēng)🌈的趨勢，Y向和Z向(xiang)的變形達到了(le)29m和37m，說明該主🤩軸(zhóu)在轉速為9000r/min時已(yi)不👈能穩定運行(hang)，但可以短時🥵間(jiān)内(20min)運行。機床熱(re)變形的控制⛹🏻♀️由(you)以上分析讨論(lùn)，機床的溫升🌈和(hé)熱變形對加工(gōng)精度的影響因(yin)素多種🌈多樣，采(cǎi)取控制措施時(shi)，應抓住主要矛(máo)盾，重點采取一(yī)、二項措施，取得(dé)事半功倍的效(xiao)果。在設計中應(ying)從4個方向入手(shǒu)：減少發熱，降低(dī)溫升，結👅構平衡(héng)，合理冷卻。
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