《机床热变形 机理 测量和控制》.docVIP

机床热变形：机理、测量和控制张曙　张炳生　卫美红1　热变形是影响加工精度的原因之一　　机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热以及冷却介质的影响，造成机床各部的温升不均匀，导致机床形态精度及加工精度的变化。例如，在一台普通精度的数控铣床上加工φ70 mm× 1 650 mm的螺杆，上午7:30-9:00铣削的工件与下午2:00-3:30加工的工件相比，累积误差的变化可达85 μm。而在恒温条件下，则误差可减小至40 μm。　　再如，一台用于双端面磨削0.6～3.5 mm厚的薄钢片工件的精密双端面磨床，在验收时加工200 mm×25 mm ×1.08 mm钢片工件能达到 mm的尺寸精度，弯曲度在全长内小于5 μm。但连续自动磨削1 h后，尺寸变化范围增大到12 μm，冷却液温度由开机时的17 上升到45 。由于磨削热的影响，导致主轴轴颈伸长，主轴前轴承间隙增大。据此，为该机床冷却液箱添加一台5.5 kW制冷机，效果十分理想。　　实践证明，机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。但机床是处在温度随时随处变化的环境中；机床本身在工作时必然会消耗能量，这些能量的相当一部分会以各种方式转化为热，引起机床各构件的物理变化，这种变化又因为结构形式的不同，材质的差异等原因而千差万别。机床设计师应掌握热的形成机理和温度分布规律，采取相应的措施，使热变形对加工精度的影响减少到最小。2　机床的温升及温度分布2.1　自然气候影响　　我国幅员辽阔，大部分地区处于亚热带地区，一年四季的温度变化较大，一天内温差变化也不一样。由此，人们对室内(如车间)温度的干预的方式和程度也不同，机床周围的温度氛围千差万别。例如，长三角地区季节温度变化范围约45 左右，昼夜温度变化约5～12 。机加工车间一般冬天无供热，夏天无空调，但只要车间通风较好，机加工车间的温度梯度变化不大。而东北地区，季节温差可达60 ，昼夜变化约8～15 。每年10月下旬至次年4月初为供暖期，机加工车间的设计有供暖，空气流通不足。车间内外温差可达50 。因此车间内冬季的温度梯度十分复杂，测量时室外温度1.5 ，时间为上午8:15-8:35，车间内温度变化约3.5 ，结果如图1所示。精密机床的加工精度在这样的车间内受环境温度影响将是很大的。2.2　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3个方面。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图1　机械加工车间的温度分布和温度梯度　　(1)车间小气候：如车间内温度的分布(垂直方向、水平方向)。当昼夜交替或气候以及通风变化时车间温度均会产生缓慢变化。　　(2)车间热源：如太阳照射、供暖设备和大功率照明灯的辐射等，它们离机床较近时可直接长时间影响机床整体或部分部件的温升。相邻设备在运行时产生的热量会以幅射或空气流动的方式影响机床温升。　　(3)散热：地基有较好的散热作用，尤其是精密机床的地基切忌靠近地下供热管道，一旦破裂泄漏时，可能成为一个难以找到原因的热源；敞开的车间将是一个很好的“散热器”，有利于车间温度均衡。　　(4)恒温：车间采取恒温设施对精密机床保持精度和加工精度是很有效果的，但能耗较大。2.3　机床内部热影响因素　　(1)机床结构性热源。电动机发热——如主轴电动机、进给伺服电动机、冷却润滑泵电动机、电控箱等均可产生热量。这些情况对电动机本身来说是允许的，但对于主轴、滚珠丝杠等元器件则有重大不利影响，应采取措施予以隔离。当输入电能驱动电动机运转时，除了有少部分(约20％左右)转化为电动机热能外，大部分将由运动机构转化为动能，如主轴旋转、工作台运动等；但不可避免的仍有相当部分在运动过程中转化为摩擦发热，例如轴承、导轨、滚珠丝杠和传动箱等机构发热。　　(2)工艺过程的切削热。切削过程中刀具或工件的动能一部分消耗于切削功，相当一部分则转化切削的变形能和切屑与刀具间的摩擦热，形成刀具、主轴和工件发热，并由大量切屑热传导给机床的工作台夹具等部件。它们将直接影响刀具和工件间的相对位置。　　(3)冷却。冷却是针对机床温度升高的反向措施，如电动机冷却、主轴部件冷却以及基础结构件冷却等。高端机床往往对电控箱配制冷机，予以强迫冷却。2.4　机床的结构形态对温升的影响 　　在机床热变形领域讨论机床结构形态，通常指结构形式、质量分布、材料性能和热源分布等问题。结构形态影响机床的温度分布、热量的传导方向、热变形方向及匹配等。　　(1)机床的结构形态。在总体结构方面，机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等，对于热的响应和稳定性均有较大差异。例如齿轮变速的车床主轴箱的温升可高达35 ，使主轴端上抬，热平衡时间需2 h左右。而斜床身式精密车铣加工中心，机床有一