温度对机床加工精度的影响

热量是影响加工精度的原因之一。机床受车间环境温度变化、电机发热、机械运动摩擦、切削热、冷却介质的影响，导致机床各部分温升不均匀，造成机床形状精度和加工精度的变化。例如，在普通精密数控铣床上加工一个70mm×1650mm的螺钉，与下午2:00-3:30加工的工件相比，上午7:30-9:00加工的工件累计误差可达85m。在恒温条件下，误差可降至40m。

再如，一台用于磨削两端厚度为0.6 ~ 3.5 mm的薄钢件的精密双头磨床，在验收时加工厚度为200mm×25mm×1.08mm的钢件时，尺寸精度可达到mm，且曲率在全长小于5m。然而，在连续自动研磨1h后，尺寸变化范围增加到12m，冷却液温度从启动时的17℃增加到45℃。由于磨削热的影响，主轴轴颈变长，主轴前轴承间隙增大。所以在机床的冷却液箱上加一个5.5kW的制冷机，效果非常理想。实践证明，机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。但是机床处于一个温度随时随地变化的环境中；机床本身在工作时，必然会消耗能量，而这些能量中有相当一部分会通过各种方式转化为热量，从而引起机床各部件的物理变化，而这种变化会因为结构形式和材料的不同而千差万别。机床设计者应掌握热量的形成机理和温度分布规律，并采取相应措施，将热变形对加工精度的影响降到最低。

机床温升及分布与自然气候影响我国幅员辽阔，大部分地区位于亚热带地区。一年四季气温变化很大，一天的温差变化也不一样。于是，人们对室内(如车间)温度的干预方式和程度不同，机床周围的温度氛围也千差万别。例如，在长江三角洲地区，季节温度变化约为45℃，昼夜温度变化约为5 ~ 12℃。一般机加工车间冬天没有暖气，夏天没有空调，但只要车间通风良好，机加工车间的温度梯度变化不大。在东北地区，季节温差可达60℃，日变化约为8 ~ 15℃。采暖期为10月底至次年4月初。机加工车间设计有暖气，空气流通不充分。车间内外温差可达50℃。因此，冬季车间内的温度梯度非常复杂。测量时室外温度为1.5℃，时间为上午8:15-8:35，车间内温度变化约为3.5℃。在这样的车间里，环境温度会极大地影响精密机床的加工精度。

周围环境的影响机床周围环境是指机床近距离范围内各种布局形成的热环境。

它们包括以下四个方面:

1)车间微气候:如车间内的温度分布(垂直方向和水平方向)。当昼夜交替或气候、通风发生变化时，车间温度会缓慢变化。

2)车间热源:如太阳辐射、加热设备辐射、大功率照明等。，当它们靠近机床时，可长时间直接影响机床整体或部分零件的温升。相邻设备运行时产生的热量会通过辐射或气流影响机床的温升。

3)散热:基础具有良好的散热功能，尤其是精密机床的基础不宜靠近地下供热管道，一旦破裂泄漏，可能成为难以查找原因的热源；开放式的车间会是一个很好的“散热器”，有利于车间内的温度平衡。

4)恒温:在车间采用恒温设施，对保持精密机床的精度和加工精度非常有效，但能耗较高。

3.影响机床内部发热的因素

1)机床的结构热源。主轴电机、进给伺服电机、冷却润滑泵电机、电控箱等电机。会产生热量。这些条件对电机本身是允许的，但对主轴、滚珠丝杠等部件有显著的不利影响，应采取措施加以隔离。当输入的电能驱动电机运转时，除了一小部分(20%左右)转化为电机的热能外，大部分都会被运动机构转化为动能，如主轴旋转、工作台运动等。但不可避免的是，运动中有相当一部分热量是摩擦产生的，比如轴承、导轨、滚珠丝杠、传动箱产生的热量。

2)工艺过程中的截热。在切削过程中，刀具或工件的一部分动能消耗在切削功中，而相当一部分转化为切削变形能和切屑与刀具之间的摩擦热，导致刀具、主轴和工件的发热，这些热量由大量切屑传导到机床的工作台和夹具上。它们将直接影响刀具和工件之间的相对位置。

3)冷却。冷却是针对机床温升的一种应对措施，如电机冷却、主轴冷却、基础结构冷却等。高端机床经常用冰箱强制冷却电控箱。

4.机床结构对温升的影响。在机床热变形领域，讨论机床结构，通常是指结构形式、质量分布、材料性能和热源分布。结构影响机床的温度分布、热传导方向、热变形方向和匹配。

1)机床的结构。就总体结构而言，机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等。，它们在热响应和稳定性方面有很大差异。比如带换挡的车床主轴箱温升可高达35℃，使主轴端抬起，热平衡时间需要2h左右。在倾斜床身精密车铣加工中心，机床有一个稳定的基础。整机刚性明显提高，主轴采用伺服电机驱动，去掉了齿轮传动部分，其温升一般小于15℃。

2)热源分布的影响。一般来说，机床中的热源是指电机。比如主轴电机，进给电机，液压系统，其实都是不完整的。电机的发热只是电机带负载时电流在电枢阻抗上消耗的能量，还有相当一部分能量被轴承、螺母、导轨的摩擦做功产生的发热所消耗。所以电机可以称为一级热源，轴承、螺母、导轨、芯片可以称为二级热源。热量是所有这些热源综合影响的结果。立柱移动式立式加工中心Y向进给过程中的温升和变形。Y方向进给时，工作台不移动，所以对X方向的热变形影响很小。在立柱上，离Y轴丝杠越远，温升越小。机床在Z轴上的运动进一步说明了热源分布对热变形的影响。z轴进给距离x方向较远，因此热变形影响较小。立柱离z轴电机的螺母越近，温升和变形越大。

3)质量分布的影响。质量分布对机床热变形的影响有三个方面。一是指质量大小和集中度，通常指改变热容量和传热速度，改变达到热平衡的时间。

其次，通过改变质量的布置形式，如各种加强筋的布置，可以提高结构的热刚度，在相同的温升下，可以减小热变形的影响或保持较小的相对变形；

三是指通过改变质量布置的形式来降低机床部件的温升，如在结构外部布置散热筋。

材料性质的影响:不同的材料有不同的热性能参数(比热、导热系数、线膨胀系数)。在同样的热量作用下，它们的温升和变形是不同的。机床热性能测试

1.机床热性能试验的目的。控制机床热变形的关键是通过热性能试验，充分了解机床环境温度的变化、机床本身的热源和温度变化以及关键点(变形和位移)的响应。测试数据或曲线描述机床的热特性，以便采取对策，控制热变形，提高机床的加工精度和效率。

具体而言，应达到以下目的:

1)测试机床周围环境。测量车间内的温度环境，其空间温度梯度，昼夜交替中温度分布的变化，甚至季节变化对机床周围温度分布的影响。

2)机床本身的热特性测试。在尽可能排除环境干扰的情况下，让机床处于各种运行状态，测量机床本身重要点的温度变化和位移变化，记录足够长时间内关键点的温度变化和位移。你也可以使用红外热成像来记录每个时间段的热量分布。

3)测试加工过程中的温升和热变形，判断机床热变形对加工精度的影响。

4)上述试验可以积累大量的数据和曲线，将为机床设计和用户控制热变形提供可靠的判据，并指明采取有效措施的方向。

2.机床热变形测试原理。热变形试验首先需要测量几个相关点的温度，包括以下几个方面:

1)热源:包括进给电机、主轴电机、滚珠丝杠传动副、导轨和主轴轴承。

2)辅助设备:包括液压系统、制冷机、冷却和润滑位移检测系统。

3)机械结构:包括床身、底座、滑板、立柱、铣头箱和主轴。在主轴和转台之间夹一根铟钢测量杆，在X、Y、Z三个方向上布置五个接触式传感器，测量各种状态下的综合变形，从而模拟刀具和工件之间的相对位移。

3.测试数据处理和分析。机床的热变形试验应在较长的连续时间内进行，并有连续的数据记录。经过分析和处理，反映的热变形特征的可靠性很高。如果通过多次实验消除了误差，所显示的规律性是可信的。主轴系统热变形测试共有五个测点，其中测点1和测点2分别位于主轴末端和主轴轴承附近，测点4和测点5分别位于Z向导轨附近的铣头外壳处。试验持续14小时，其中主轴转速在前10小时在0 ~ 9000r/min范围内交替变化，主轴从前10小时开始继续以9000r/min的高速旋转。

可以得出以下结论:

1)主轴热平衡时间约为1h，平衡后温升范围为1.5℃；

2)温升主要来自主轴轴承和主轴电机。在正常转速范围内，轴承的热性能良好；

3)热变形在X方向影响不大；

4)Z向伸缩变形较大，约10m，是主轴热伸长和轴承间隙增大造成的；

5)转速保持在9000r/min时，温度急剧上升，2.5h约7℃，Y、Z方向变形达到29m、37m，说明主轴在9000r/min时不能稳定运行，但在短时间内(20min)可以运行。通过以上分析，讨论了机床热变形的控制。由于机床的温升和热变形，影响加工精度的因素很多。在采取控制措施时，要抓住主要矛盾，重点采取一两项措施，事半功倍。在设计中要从减少发热、降低温升、结构平衡、合理散热四个方向入手。

1.降低热量，控制热源是根本措施。设计中应采取措施有效降低热源的热值。

1)合理选择电机的额定功率。电机的输出功率P等于电压V和电流I的乘积，一般情况下电压V是恒定的。因此，负载的增加意味着电机的输出功率增加，即对应的电流I也增加，电枢阻抗中电流消耗的热量增加。如果我们设计和选用的电动机长期工作在接近或大大超过额定功率的情况下，电动机的温升会明显增加。为此，对BK50数控针槽铣床的铣头进行了对比试验(电机转速:960 r/min；环境:12℃)。从上面的测试中得出了以下几个概念:考虑到热源的性能，在选择主轴电机或进给电机的额定功率时，最好选择比计算功率高25%左右。实际运行中，电机输出功率与负载匹配，提高电机额定功率对能耗影响不大。但是可以有效降低电机温升。