溫度對機床加工精度有哪些影響
發(fā)布時(shí)間：2021.12.16 瀏覽次數：
熱變形是影響加工精度的原因之一機床受到車(chē)間環(huán)境溫度的變化、電動(dòng)機發(fā)熱和機械運動(dòng)摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質(zhì)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(shí)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(cháng)內小于5m。但連續自動(dòng)磨削1h后，尺寸變化范圍增大到12m，冷卻液溫度由開(kāi)機時(shí)的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，導致主軸軸頸伸長(cháng)，主軸前軸承間隙增大。據此，為該機床冷卻液箱添加一臺5.5kW制冷機，效果十分理想。實(shí)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(shí)隨處變化的環(huán)境中；機床本身在工作時(shí)必然會(huì )消耗能量，這些能量的相當一部分會(huì )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(zhì)的差異等原因而千差萬(wàn)別。機床設計師應掌握熱的形成機理和溫度分布規律，采取相應的措施，使熱變形對加工精度的影響減少到小。
機床的溫升及溫度分布、自然氣候影響我國幅員遼闊，大部分地區處于亞熱帶地區，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(chē)間）溫度的干預的方式和程度也不同，機床周?chē)臏囟确諊Р钊f(wàn)別。例如，長(cháng)三角地區季節溫度變化范圍約45℃左右，晝夜溫度變化約5～12℃。機加工車(chē)間一般冬天無(wú)供熱，夏天無(wú)空調，但只要車(chē)間通風(fēng)較好，機加工車(chē)間的溫度梯度變化不大。而東北地區，季節溫差可達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(chē)間的設計有供暖，空氣流通不足。車(chē)間內外溫差可達50℃。因此車(chē)間內冬季的溫度梯度十分復雜，測量時(shí)室外溫度1.5℃，時(shí)間為上午8:15-8:35，車(chē)間內溫度變化約3.5℃。精密機床的加工精度在這樣的車(chē)間內受環(huán)境溫度影響將是很大的。
周?chē)h(huán)境的影響機床周?chē)h(huán)境是指機床近距離范圍內各種布局形成的熱環(huán)境。
它們包括以下4個(gè)方面：
1）車(chē)間小氣候：如車(chē)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(fēng)變化時(shí)車(chē)間溫度均會(huì )產(chǎn)生緩慢變化。
2）車(chē)間熱源：如太陽(yáng)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(shí)可直接長(cháng)時(shí)間影響機床整體或部分部件的溫升。相鄰設備在運行時(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(shí)，可能成為一個(gè)難以找到原因的熱源；敞開(kāi)的車(chē)間將是一個(gè)很好的“散熱器”，有利于車(chē)間溫度均衡。
4）恒溫：車(chē)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(dòng)機發(fā)熱如主軸電動(dòng)機、進(jìn)給伺服電動(dòng)機、冷卻潤滑泵電動(dòng)機、電控箱等均可產(chǎn)生熱量。這些情況對電動(dòng)機本身來(lái)說(shuō)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(dòng)電動(dòng)機運轉時(shí)，除了有少部分（約20%左右）轉化為電動(dòng)機熱能外，大部分將由運動(dòng)機構轉化為動(dòng)能，如主軸旋轉、工作臺運動(dòng)等；但不可避免的仍有相當部分在運動(dòng)過(guò)程中轉化為摩擦發(fā)熱，例如軸承、導軌、滾珠絲杠和傳動(dòng)箱等機構發(fā)熱。
2）工藝過(guò)程的切削熱。切削過(guò)程中刀具或工件的動(dòng)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(dòng)機冷卻、主軸部件冷卻以及基礎結構件冷卻等。高端機床往往對電控箱配制冷機，予以強迫冷卻。
4、機床的結構形態(tài)對溫升的影響在機床熱變形領(lǐng)域討論機床結構形態(tài)，通常指結構形式、質(zhì)量分布、材料性能和熱源分布等問(wèn)題。結構形態(tài)影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱變形方向及匹配等。
1）機床的結構形態(tài)。在總體結構方面，機床有立式、臥式、龍門(mén)式和懸臂式等，對于熱的響應和穩定性均有較大差異。例如齒輪變速的車(chē)床主軸箱的溫升可高達35℃，使主軸端上抬，熱平衡時(shí)間需2h左右。而斜床身式精密車(chē)銑加工中心，機床有一個(gè)穩定的底座。明顯提高了整機剛度，主軸采用伺服電動(dòng)機驅動(dòng)，去除了齒輪傳動(dòng)部分，其溫升一般小于15℃。
2）熱源分布的影響。機床上通常認為熱源是指電動(dòng)機。如主軸電動(dòng)機、進(jìn)給電動(dòng)機和液壓系統等，其實(shí)是不完全的。電動(dòng)機的發(fā)熱只是在承擔負荷時(shí)，電流消耗在電樞阻抗上的能量，另有相當一部分能量消耗于軸承、絲杠螺母和導軌等機構的摩擦功引起的發(fā)熱。所以可把電動(dòng)機稱(chēng)為一次熱源，將軸承、螺母、導軌和切屑稱(chēng)之為二次熱源。熱變形則是所有這些熱源綜合影響的結果。一臺立柱移動(dòng)式立式加工中心在Y向進(jìn)給運動(dòng)中溫升和變形情況。Y向進(jìn)給時(shí)工作臺未作運動(dòng)，所以對X向的熱變形影響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越遠的點(diǎn)，其溫升越小。該機在Z軸移動(dòng)時(shí)的情況則更進(jìn)一步說(shuō)明了熱源分布對熱變形的影響。Z軸進(jìn)給離X向更遠，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動(dòng)機螺母越近，溫升及變形也越大。
3）質(zhì)量分布的影響。質(zhì)量分布對機床熱變形的影響有三方面。其一，指質(zhì)量大小與集中程度，通常指改變熱容量和熱傳遞的速度，改變達到熱平衡的時(shí)間
二，通過(guò)改變質(zhì)量的布置形式，如各種筋板的布置，提高結構的熱剛度，在同樣溫升的情況下，減小熱變形影響或保持相對變形較??；
其三，則指通過(guò)改變質(zhì)量布置的形式，如在結構外部布置散熱筋板，以降低機床部件的溫升。
材料性能的影響：不同的材料有不同的熱性能參數（比熱、導熱率和線(xiàn)膨脹系數），在同樣熱量的影響下，其溫升、變形均有不同。機床熱性能的測試
1、機床熱性能測試的目的控制機床熱變形的關(guān)鍵是通過(guò)熱特性測試，充分了解機床所處的環(huán)境溫度的變化，機床本身熱源及溫度變化以及關(guān)鍵點(diǎn)的響應（變形位移）。測試數據或曲線(xiàn)描述一臺機床熱特性，以便采取對策，控制熱變形，提高機床的加工精度和效率。
具體地說(shuō)，應達到以下幾個(gè)目的：
1）機床周?chē)h(huán)境測試。測量車(chē)間內的溫度環(huán)境，它的空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變化，甚至應測量季節變化對機床周?chē)鷾囟确植嫉挠绊憽?/span>
2）機床本身的熱特性測試。盡可能地排除環(huán)境干擾的條件下，讓機床處于各種運轉狀態(tài)，以測量機床本身的重要點(diǎn)位的溫度變化、位移變化，記錄在足夠長(cháng)的時(shí)間段內的溫度變化和關(guān)鍵點(diǎn)位移，也可用紅外線(xiàn)熱相儀記錄各時(shí)間段熱分布的情況。
3）加工過(guò)程測試溫升熱變形，以判斷機床熱變形對加工過(guò)程精度的影響。
4）上述試驗可積累大量的數據、曲線(xiàn)，將為機床設計和使用者控制熱變形提供可靠的判據，指出采取有效措施的方向。
2、機床熱變形測試的原理熱變形測試首先需要測量若干相關(guān)點(diǎn)的溫度，包含以下幾方面：
1）熱源：包括各部分進(jìn)給電動(dòng)機、主軸電動(dòng)機、滾珠絲杠傳動(dòng)副、導軌、主軸軸承。
2）輔助裝置：包括液壓系統、制冷機、冷卻和潤滑位移檢測系統。
3）機械結構：包括床身、底座、滑板、立柱和銑頭箱體和主軸。在主軸和回轉工作臺之間夾持有銦鋼測棒，在X、Y、Z方向配置了5個(gè)接觸式傳感器，測量在各種狀態(tài)下的綜合變形，以模擬刀具和工件間的相對位移。
3、測試數據處理分析機床熱變形試驗要在一個(gè)較長(cháng)的連續時(shí)間內進(jìn)行，進(jìn)行連續的數據記錄，經(jīng)過(guò)分析處理，所反映的熱變形特性可靠性很高。如果通過(guò)多次試驗進(jìn)行誤差剔除，則所顯示的規律性是可信的。主軸系統熱變形試驗中共設置了5個(gè)測量點(diǎn)，其中點(diǎn)1、點(diǎn)2在主軸端部和靠近主軸軸承處，點(diǎn)4、點(diǎn)5分別在銑頭殼體靠近Z向導軌處。測試時(shí)間共持續了14h，其中前10h主軸轉速分別在0～9000r/min范圍內交替變速，從第10h開(kāi)始，主軸持續以9000r/min高速旋轉。
可以得到以下結論：
1）該主軸的熱平衡時(shí)間約1h左右，平衡后溫升變化范圍1.5℃；
2）溫升主要來(lái)源于主軸軸承和主軸電動(dòng)機，在正常變速范圍內，軸承的熱態(tài)性能良好；
3）熱變形在X向影響很??；
4）Z向伸縮變形較大，約10m，是由主軸的熱伸長(cháng)及軸承間隙增大引起的；
5）當轉速持續在9000r/min時(shí)，溫升急劇上升，在2.5h內急升7℃左右，且有繼續上升的趨勢，Y向和Z向的變形達到了29m和37m，說(shuō)明該主軸在轉速為9000r/min時(shí)已不能穩定運行，但可以短時(shí)間內（20min）運行。機床熱變形的控制由以上分析討論，機床的溫升和熱變形對加工精度的影響因素多種多樣，采取控制措施時(shí)，應抓住主要矛盾，重點(diǎn)采取一、二項措施，取得事半功倍的效果。
在設計中應從4個(gè)方向入手：減少發(fā)熱，降低溫升，結構平衡，合理冷卻。
1、減少發(fā)熱控制熱源是根本的措施。在設計中要采取措施有效降低熱源的發(fā)熱量。
1）合理選取電動(dòng)機的額定功率。電動(dòng)機的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積，一般情況下，電壓V是恒定的，因此，負荷的增大，意味著(zhù)電動(dòng)機輸出功率增大，即相應的電流I也增大，則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若我們所設計選擇的電動(dòng)機長(cháng)時(shí)間在接近或大大超過(guò)額定功率的條件下工作，則電動(dòng)機的溫升明顯增大。為此，對BK50型數控針槽銑床銑頭進(jìn)行了對比試驗（電動(dòng)機轉速：960r/min；環(huán)境溫度：12℃）。從上述試驗得到以下概念：從熱源性能考慮，無(wú)論主軸電動(dòng)機還是進(jìn)給電動(dòng)機，選擇額定功率時(shí)，盡量選比計算功率大25%左右為宜，在實(shí)際運行中，電動(dòng)機的輸出功率與負荷相匹配，增大電動(dòng)機額定功率對于能耗的影響很小。但可有效降低電動(dòng)機溫升。
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