數(shù)控機(jī)床熱變形分析及其防治措施

1、數(shù)控機(jī)床熱變形分析及其防治措施青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司 茍衛(wèi)東摘要：數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工中 的切削熱、運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱以及輻射與周?chē)h(huán)境等其它外界熱源等。此外， 機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重要因素。因此，要想控制 熱變形，必須從減少發(fā)熱、控制溫升、改善結(jié)構(gòu)等方面著手。關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；熱變形；機(jī)械加工精度；熱源；機(jī)床結(jié)構(gòu)工藝過(guò)程的自動(dòng)化和精密加工的發(fā)展對(duì)機(jī)床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出 了越來(lái)越高的要求。機(jī)床在內(nèi)外熱源的影響下，各部件將發(fā)生不同程度的熱變形， 使工件與刀具之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系遭到破壞，也

2、使機(jī)床的精度下降。在通常情況 下，為了使機(jī)床的熱變形達(dá)到穩(wěn)定的數(shù)值，需要花費(fèi)很多時(shí)間來(lái)預(yù)熱機(jī)床，這就 直接影響了機(jī)床的生產(chǎn)率。對(duì)于數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，因?yàn)槿考庸こ叽缡穷A(yù)先編制的 指令控制的，熱變形的影響就更為嚴(yán)重。因此，認(rèn)真分析數(shù)控機(jī)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(shù)控機(jī)床的熱變形成因分析機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要原因是熱源及機(jī)床各部分的溫差。熱源通常包括加工 中的切削熱、運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱以及輻射與周?chē)h(huán)境等其它外界熱 源等。此外，機(jī)床零件的材料、結(jié)構(gòu)、形狀和尺寸的不一致也是產(chǎn)生熱變形的重 要因素。（一）切削熱在金屬切削過(guò)程中，由機(jī)械能變?yōu)楸磺邢鞑牧系淖冃文?，從而產(chǎn)生

3、大量的熱 量，產(chǎn)生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質(zhì)及切削用量的大小。切削產(chǎn)生 的熱量主要通過(guò)傳熱分配到刀具、工件和切屑，它們之間按照一定的比例關(guān)系分 配熱量。對(duì)于不同的加工種類(lèi)，其切削熱的計(jì)算與分配也各不相同。在車(chē)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(duì)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(shí)，大量的切屑落在機(jī)床床身和 工作臺(tái)上，它對(duì)床身和工作臺(tái)熱變形的影響是顯而易見(jiàn)的。但大量的切屑只有粗 加工時(shí)才有，而機(jī)床熱變形對(duì)粗加工精度的影響則一般可以忽略；對(duì)于精加工， 由于走刀量和切削深度一般比

4、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(tái)的熱變形也相對(duì)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(tái)機(jī)床上進(jìn)行加工，對(duì)工作臺(tái)熱變形的 影響，就應(yīng)予以注意。（二）運(yùn)動(dòng)副的摩擦熱和動(dòng)力源的發(fā)熱機(jī)床有各種運(yùn)動(dòng)副，如主軸部件的滾動(dòng)軸承、工作臺(tái)與導(dǎo)軌、絲杠與螺母等， 運(yùn)動(dòng)件之間的相互運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源。電機(jī)本身的發(fā) 熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，也成為機(jī)床某一部件的發(fā)熱源?，F(xiàn)代機(jī)床的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，尤 其是數(shù)控機(jī)床已經(jīng)被大大簡(jiǎn)化，主軸部件已成為影響機(jī)床熱變形的主要部分，而 主軸部件的主要熱源來(lái)自于主軸軸承的發(fā)熱。（三）輻射與周?chē)h(huán)境等其它外界

5、熱源機(jī)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(jīng)照射的部 分之間出現(xiàn)溫度的差異，致使機(jī)床產(chǎn)生變形。周?chē)h(huán)境的溫度，則隨氣溫及晝夜 溫度的變化而變化，通過(guò)空氣對(duì)流使機(jī)床及工件的溫度也發(fā)生變化，不僅對(duì)機(jī)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(shí)，要經(jīng)幾晝夜的連續(xù)加工，晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。二、減少數(shù)控機(jī)床熱變形的措施研究前面分析了數(shù)控機(jī)床熱變形的產(chǎn)生原因主要是三大熱源，因此，要減少數(shù)控 機(jī)床的熱變形，就要采取減少發(fā)熱、控制溫升以及改善機(jī)床結(jié)構(gòu)、進(jìn)行熱補(bǔ)償?shù)?措施。（一）減少發(fā)熱機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱是產(chǎn)生熱變形的主要熱源，應(yīng)盡可能地將熱源從主

6、機(jī)中分離出 去，比如將電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對(duì)于不能與主機(jī)分離的 熱源，如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌副等，則必須改善其摩擦特性和 潤(rùn)滑條件，以減少機(jī)床內(nèi)部的發(fā)熱。主軸部件是直接影響加工精度的關(guān)鍵部件，而主軸上的軸承又是一個(gè)很大的 熱源。在數(shù)控機(jī)床上除了采取精密滾動(dòng)軸承和對(duì)軸承進(jìn)行油霧潤(rùn)滑外，還可采用 靜壓軸承。同時(shí)，在精密數(shù)控機(jī)床的主軸箱內(nèi)應(yīng)盡量避免使用摩擦離合器等發(fā)熱 元件。機(jī)床加工時(shí)所產(chǎn)生的切屑也是一個(gè)不可忽視的熱源。產(chǎn)生大量切屑的數(shù)控機(jī) 床應(yīng)裝有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走，或者在工作臺(tái)或?qū)к壣习惭b隔 熱板，使這部分熱量被隔離在機(jī)床之外。此外，在使用切削液

7、的數(shù)控機(jī)床上，切 削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當(dāng)它散落在機(jī)床的各處時(shí)，也會(huì)產(chǎn) 生局部的溫升。因此，精密數(shù)控機(jī)床應(yīng)控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通 過(guò)最短途徑從機(jī)床中排出。（二）控制溫升除了采取上述措施來(lái)減少發(fā)熱外，還必須通過(guò)良好的散熱和冷卻來(lái)控制溫 升，以減少熱源的影響，比如在機(jī)床的發(fā)熱部位進(jìn)行強(qiáng)制冷卻。目前對(duì)于多坐標(biāo) 軸的數(shù)控機(jī)床，由于它在幾個(gè)方向上都有要求很高的精度，因而很難采用補(bǔ)償?shù)?方法來(lái)減少熱變形的影響。對(duì)于這類(lèi)數(shù)控機(jī)床，采用制冷系統(tǒng)對(duì)潤(rùn)滑液進(jìn)行強(qiáng)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(tǒng)的冷卻能力必須適當(dāng)， 如果吸熱量大于機(jī)床內(nèi)部熱源的發(fā)熱量，那么，這

8、勢(shì)必會(huì)使機(jī)床的溫度低于環(huán)境 溫度，不僅引起收縮，而且潮濕空氣會(huì)將冷凝在機(jī)床表面上而使機(jī)床生銹。除了采用強(qiáng)制冷卻之外，也可以在數(shù)控機(jī)床低溫部分通過(guò)加熱的方法，使機(jī) 床各點(diǎn)的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場(chǎng)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(shù)控機(jī)床設(shè)有加熱設(shè)備，在加工之前通過(guò)縮短機(jī)床的預(yù) 熱時(shí)間，以提高機(jī)床的實(shí)際生產(chǎn)率。（三）改善數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)在同樣發(fā)熱條件下，不同的機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)熱變形的影響也不一樣，故而改善數(shù) 控機(jī)床的結(jié)構(gòu)，可以有效地控制數(shù)控機(jī)床的熱變形。因此，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)要 盡可能的采用雙立柱結(jié)構(gòu)而不是目前流行的單位柱結(jié)構(gòu)。雙立柱結(jié)構(gòu)由于左右對(duì) 稱，受熱后的主軸軸線除產(chǎn)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(dòng)可以方便地用一個(gè)坐標(biāo)的修正量進(jìn)行補(bǔ)償。此外，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī) 床的主軸箱時(shí)，應(yīng)該盡量使主軸的熱變形發(fā)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(duì)工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎就可以忽略不計(jì)。 在結(jié)構(gòu)上還應(yīng)當(dāng)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(shí)，應(yīng)使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜。三、結(jié)語(yǔ)綜上所述，減少機(jī)床熱變形至關(guān)重要，己越來(lái)越引起人們的重視，方法繁多。 隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，關(guān)于熱變形的研究必將有新的突破，可以預(yù)見(jiàn)