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數控機床產生熱變形的主要原因分析
閱讀：1457 發布時間：2013-4-2
數控機床產生熱變形的主要原因是熱源及機床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發熱以及輻射與周圍環境等其它外界熱源等。此外，機床零件的材料、結構、形狀和尺寸的不一致也是產生熱變形的重要因素。因此，要想控制熱變形，必須從減少發熱、控制溫升、改善結構等方面著手。
工藝過程的自動化和精密加工的發展對機床的加工精度和精度穩定性提出了越來越高的要求。機床在內外熱源的影響下，各部件將發生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關系遭到破壞，也使機床的精度下降。在通常情況下，為了使機床的熱變形達到穩定的數值，需要花費很多時間來預熱機床，這就直接影響了機床的生產率。對于數控機床來說，因為全部加工尺寸是預先編制的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。因此，認真分析數控機床熱變形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意義。
一、數控機床的熱變形成因分析
機床產生熱變形的主要原因是熱源及機床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發熱以及輻射與周圍環境等其它外界熱源等。此外，機床零件的材料、結構、形狀和尺寸的不一致也是產生熱變形的重要因素。
（一）切削熱
在金屬切削過程中，由機械能變為被切削材料的變形能，從而產生大量的熱量，產生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質及切削用量的大小。切削產生的熱量主要通過傳熱分配到刀具、工件和切屑，它們之間按照一定的比例關系分配熱量。對于不同的加工種類，其切削熱的計算與分配也各不相同。
在車削加工中，大量的熱量被切屑帶走，傳給工件的熱量次之，一般在30%以下，而傳給刀具的熱量又次之，一般不大于5%；對于銑削和刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下；在不加冷卻液切削時，大量的切屑落在機床床身和工作臺上，它對床身和工作臺熱變形的影響是顯而易見的。但大量的切屑只有粗加工時才有，而機床熱變形對粗加工精度的影響則一般可以忽略；對于精加工，由于走刀量和切削深度一般比較小，故切屑帶走的熱量也比較小，它們所引起床身和工作臺的熱變形也相對比較小，是否需要考慮，要看具體情況而定。但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一臺機床上進行加工，對工作臺熱變形的影響，就應予以注意。
（二）運動副的摩擦熱和動力源的發熱
機床有各種運動副，如主軸部件的滾動軸承、工作臺與導軌、絲杠與螺母等，運動件之間的相互運動產生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源。電機本身的發熱和液壓系統的發熱，也成為機床某一部件的發熱源。現代機床的傳動結構，尤其是數控機床已經被大大簡化，主軸部件已成為影響機床熱變形的主要部分，而主軸部件的主要熱源來自于主軸軸承的發熱。
（三）輻射與周圍環境等其它外界熱源
機床受到日光的照射通常是單面的或局部的，故在照射部分與未經照射的部分之間出現溫度的差異，致使機床產生變形。周圍環境的溫度，則隨氣溫及晝夜溫度的變化而變化，通過空氣對流使機床及工件的溫度也發生變化，不僅對機床的精度有一定的影響，而且影響零件的加工精度。例如，在精滾大直徑的斜齒輪時，要經幾晝夜的連續加工，晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。
二、減少數控機床熱變形的措施研究
前面分析了數控機床熱變形的產生原因主要是三大熱源，因此，要減少數控機床的熱變形，就要采取減少發熱、控制溫升以及改善機床結構、進行熱補償等措施。
（一）減少發熱
機床內部發熱是產生熱變形的主要熱源，應盡可能地將熱源從主機中分離出去，比如將電動機、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對于不能與主機分離的熱源，如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運動導軌副等，則必須改善其摩擦特性和潤滑條件，以減少機床內部的發熱。
主軸部件是直接影響加工精度的關鍵部件，而主軸上的軸承又是一個很大的熱源。在數控機床上除了采取精密滾動軸承和對軸承進行油霧潤滑外，還可采用靜承。同時，在精密數控機床的主軸箱內應盡量避免使用摩擦離合器等發熱元件。
機床加工時所產生的切屑也是一個不可忽視的熱源。產生大量切屑的數控機床應裝有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走，或者在工作臺或導軌上安裝隔熱板，使這部分熱量被隔離在機床之外。此外，在使用切削液的數控機床上，切削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當它散落在機床的各處時，也會產生局部的溫升。因此，精密數控機床應控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通過zui短途徑從機床中排出。
（二）控制溫升
除了采取上述措施來減少發熱外，還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響，比如在機床的發熱部位進行強制冷卻。目前對于多坐標軸的數控機床，由于它在幾個方向上都有要求很高的精度，因而很難采用補償的方法來減少熱變形的影響。對于這類數控機床，采用制冷系統對潤滑液進行強制冷卻的方法可以收到良好的效果。但是需要注意，制冷系統的冷卻能力必須適當，如果吸熱量大于機床內部熱源的發熱量，那么，這勢必會使機床的溫度低于環境溫度，不僅引起收縮，而且潮濕空氣會將冷凝在機床表面上而使機床生銹。
除了采用強制冷卻之外，也可以在數控機床低溫部分通過加熱的方法，使機床各點的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場的均勻，減少由于溫差造成的翹曲變形，比如某些較大型的數控機床設有加熱設備，在加工之前通過縮短機床的預熱時間，以提高機床的實際生產率。
（三）改善數控機床的結構
在同樣發熱條件下，不同的機床結構對熱變形的影響也不一樣，故而改善數控機床的結構，可以有效地控制數控機床的熱變形。因此，在設計數控機床時要盡可能的采用雙立柱結構而不是目前流行的單位柱結構。雙立柱結構由于左右對稱，受熱后的主軸軸線除產生垂直方向的平移外，其他方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動可以方便地用一個坐標的修正量進行補償。此外，在設計數控機床的主軸箱時，應該盡量使主軸的熱變形發生在刀具切入的垂直方向上，這樣，刀尖沿工件切向的偏移對工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎就可以忽略不計。在結構上還應當盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離，以減少熱變形的總量。同時，應使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現傾斜。
三、結語
綜上所述，減少機床熱變形至關重要，己越來越引起人們的重視，方法繁多。隨著技術的不斷發展，關于熱變形的研究必將有新的突破，可以預見隨著熱變形研究的進一步深入，機械加工的精度必將會更上一個臺階。
工藝過程的自動化和精密加工的發展對機床的加工精度和精度穩定性提出了越來越高的要求。機床在內外熱源的影響下，各部件將發生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關系遭到破壞，也使機床的精度下降。在通常情況下，為了使機床的熱變形達到穩定的數值，需要花費很多時間來預熱機床，這就直接影響了機床的生產率。對于數控機床來說，因為全部加工尺寸是預先編制的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。因此，認真分析數控機床熱變形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意義。
一、數控機床的熱變形成因分析
機床產生熱變形的主要原因是熱源及機床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發熱以及輻射與周圍環境等其它外界熱源等。此外，機床零件的材料、結構、形狀和尺寸的不一致也是產生熱變形的重要因素。
（一）切削熱
在金屬切削過程中，由機械能變為被切削材料的變形能，從而產生大量的熱量，產生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質及切削用量的大小。切削產生的熱量主要通過傳熱分配到刀具、工件和切屑，它們之間按照一定的比例關系分配熱量。對于不同的加工種類，其切削熱的計算與分配也各不相同。
在車削加工中，大量的熱量被切屑帶走，傳給工件的熱量次之，一般在30%以下，而傳給刀具的熱量又次之，一般不大于5%；對于銑削和刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下；在不加冷卻液切削時，大量的切屑落在機床床身和工作臺上，它對床身和工作臺熱變形的影響是顯而易見的。但大量的切屑只有粗加工時才有，而機床熱變形對粗加工精度的影響則一般可以忽略；對于精加工，由于走刀量和切削深度一般比較小，故切屑帶走的熱量也比較小，它們所引起床身和工作臺的熱變形也相對比較小，是否需要考慮，要看具體情況而定。但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一臺機床上進行加工，對工作臺熱變形的影響，就應予以注意。
（二）運動副的摩擦熱和動力源的發熱
機床有各種運動副，如主軸部件的滾動軸承、工作臺與導軌、絲杠與螺母等，運動件之間的相互運動產生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源。電機本身的發熱和液壓系統的發熱，也成為機床某一部件的發熱源。現代機床的傳動結構，尤其是數控機床已經被大大簡化，主軸部件已成為影響機床熱變形的主要部分，而主軸部件的主要熱源來自于主軸軸承的發熱。
（三）輻射與周圍環境等其它外界熱源
機床受到日光的照射通常是單面的或局部的，故在照射部分與未經照射的部分之間出現溫度的差異，致使機床產生變形。周圍環境的溫度，則隨氣溫及晝夜溫度的變化而變化，通過空氣對流使機床及工件的溫度也發生變化，不僅對機床的精度有一定的影響，而且影響零件的加工精度。例如，在精滾大直徑的斜齒輪時，要經幾晝夜的連續加工，晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。
二、減少數控機床熱變形的措施研究
前面分析了數控機床熱變形的產生原因主要是三大熱源，因此，要減少數控機床的熱變形，就要采取減少發熱、控制溫升以及改善機床結構、進行熱補償等措施。
（一）減少發熱
機床內部發熱是產生熱變形的主要熱源，應盡可能地將熱源從主機中分離出去，比如將電動機、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對于不能與主機分離的熱源，如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運動導軌副等，則必須改善其摩擦特性和潤滑條件，以減少機床內部的發熱。
主軸部件是直接影響加工精度的關鍵部件，而主軸上的軸承又是一個很大的熱源。在數控機床上除了采取精密滾動軸承和對軸承進行油霧潤滑外，還可采用靜承。同時，在精密數控機床的主軸箱內應盡量避免使用摩擦離合器等發熱元件。
機床加工時所產生的切屑也是一個不可忽視的熱源。產生大量切屑的數控機床應裝有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走，或者在工作臺或導軌上安裝隔熱板，使這部分熱量被隔離在機床之外。此外，在使用切削液的數控機床上，切削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當它散落在機床的各處時，也會產生局部的溫升。因此，精密數控機床應控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通過zui短途徑從機床中排出。
（二）控制溫升
除了采取上述措施來減少發熱外，還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響，比如在機床的發熱部位進行強制冷卻。目前對于多坐標軸的數控機床，由于它在幾個方向上都有要求很高的精度，因而很難采用補償的方法來減少熱變形的影響。對于這類數控機床，采用制冷系統對潤滑液進行強制冷卻的方法可以收到良好的效果。但是需要注意，制冷系統的冷卻能力必須適當，如果吸熱量大于機床內部熱源的發熱量，那么，這勢必會使機床的溫度低于環境溫度，不僅引起收縮，而且潮濕空氣會將冷凝在機床表面上而使機床生銹。
除了采用強制冷卻之外，也可以在數控機床低溫部分通過加熱的方法，使機床各點的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場的均勻，減少由于溫差造成的翹曲變形，比如某些較大型的數控機床設有加熱設備，在加工之前通過縮短機床的預熱時間，以提高機床的實際生產率。
（三）改善數控機床的結構
在同樣發熱條件下，不同的機床結構對熱變形的影響也不一樣，故而改善數控機床的結構，可以有效地控制數控機床的熱變形。因此，在設計數控機床時要盡可能的采用雙立柱結構而不是目前流行的單位柱結構。雙立柱結構由于左右對稱，受熱后的主軸軸線除產生垂直方向的平移外，其他方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動可以方便地用一個坐標的修正量進行補償。此外，在設計數控機床的主軸箱時，應該盡量使主軸的熱變形發生在刀具切入的垂直方向上，這樣，刀尖沿工件切向的偏移對工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎就可以忽略不計。在結構上還應當盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離，以減少熱變形的總量。同時，應使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現傾斜。
三、結語
綜上所述，減少機床熱變形至關重要，己越來越引起人們的重視，方法繁多。隨著技術的不斷發展，關于熱變形的研究必將有新的突破，可以預見隨著熱變形研究的進一步深入，機械加工的精度必將會更上一個臺階。