温度对数控机床精度的影响

机床受车间环境温度变化、电机发热及机械运动摩擦热、切削热及冷却介质的影响，导致机床各部位温升不均匀，造成形状精度和加工性能的变化机床的精度。

案例1：在普通精密数控铣床上加工70mm×1650mm螺丝。与上午7:30-9:00之间铣削的工件和下午2:00-3:30之间加工的工件相比，累积误差的变化可达85m。在恒温条件下，误差可降至40m。

案例2：精密双端面磨床，用于厚度0.6～3.5mm的薄钢工件的双端磨削。验收时，可加工200mm×25mm×1.08mm的钢制工件，尺寸精度为mm，曲率全长在5m以内。但连续自动磨削1小时后，尺寸变化幅度增大至12m，冷却液温度由启动时的17℃升高至45℃。由于磨削热的影响，主轴轴颈伸长，主轴前轴承间隙增大。在此基础上，在机床冷却液箱上加装了5.5kW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。然而，机床处于温度随时随地变化的环境中；机床本身在工作时不可避免地会消耗能量，而这些能量中有相当一部分会以各种方式转化为热量，引起机床各部件的物理变化。这种变化是由于它们由于结构形式不同、材质差异等原因而存在很大差异。机床设计者应了解热量形成机理和温度分布规律，并采取相应措施，尽量减少热变形对加工精度的影响。

机器温升及温度分布

(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。一年四季气温变化较大，一天之内温差变化很大。因此，人们对室内（如车间）温度的干预方式和程度不同，机床周围的温度气氛差异很大。

例如，长三角地区季节温差约为45℃，昼夜温差约为5℃至12℃。机械车间一般冬天没有暖气，夏天没有空调。但只要车间通风良好，机加工车间内的温度梯度就不会发生太大变化。东北地区，季节温差可达60℃，昼夜温差约为8～15℃。供暖期为10月下旬至次年4月上旬。机加工车间设计有暖气，空气流通不足。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点15分至8点35分。车间内温度变化约3.5℃。在这样的车间里，精密机床的加工精度会受到环境温度的很大影响。

(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。

1）车间小气候：如车间温度分布（垂直方向、水平方向）。当昼夜变化或气候、通风变化时，室温会缓慢变化。

2）车间热源：如太阳辐射、加热设备、大功率照明灯具辐射等。当它们靠近机床时，可长期直接影响机床整体或部分温升。相邻设备在运行过程中产生的热量会以辐射或气流的形式影响机床的温升。

3）散热：基础具有良好的散热效果。特别是精密机床的基础不宜靠近地下供暖管道。一旦破裂、泄漏，可能会成为难以查找原因的热源；开放式的车间将是一个很好的“散热装置”，有利于车间内的温度平衡。

4）恒温：车间使用恒温设施对于保持精密机床的精度和加工精度非常有效，但消耗大量能源。

(3)影响机器内热的因素

1）机床结构热源。产生热量的电机，如主轴电机、进给伺服电机、冷却润滑泵电机、电控箱等都会产生热量。这些情况对于电机本身来说是允许的，但对主轴、滚珠丝杠等部件有显着的不利影响，应采取措施隔离。当输入电能驱动电机运转时，除一小部分（约20%）转化为电机热能外，大部分会被运动机构转化为动能，如主轴旋转、工作台移动等， ETC。;但不可避免地仍有相当一部分在运动过程中转化为摩擦热，如轴承、导轨、滚珠丝杠、传动箱等机构。

2）切割过程中的热量。切削过程中，刀具或工件的动能一部分消耗在切削功上，相当一部分转化为切削的变形能和切屑与刀具之间的摩擦热，引起刀具、主轴和工件升温，大量切屑热量传递到机床工作台夹具上。和其他部分。它们将直接影响刀具与工件之间的相对位置。

3）冷却。冷却是针对机床温度升高的逆向措施，如电机冷却、主轴部件冷却、基础结构部件冷却等。高端机床往往配备有冰箱，为电控箱提供强制冷却。

(4)机器结构形式对温升的影响：

在机床热变形领域讨论机床的结构形式通常指结构形式、质量分布、材料性能、热源分布等问题。结构形式影响机床的温度分布、热传导方向、热变形方向和匹配。

1）机床的结构形式。从整体结构来看，机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等，其热响应和稳定性差异较大。例如，齿轮调速车床主轴箱温升可高达35℃，导致主轴端部翘起，热平衡时间约需2小时。对于斜床身式精密车铣加工中心来说，机床具有稳定的底座。整机刚性显着提高。主轴由伺服电机驱动，去掉了齿轮传动部分。温升一般小于15℃。

2）热源分布的影响。在机床中，热源通常被认为是电机。如主轴电机、进给电机和液压系统等，实际上都是不完整的。电机产生的热量只是负载时电枢阻抗中的电流所消耗的能量，相当一部分能量是由轴承、丝杠螺母、导轨等的摩擦功所产生的热量消耗掉的。其他机制。因此，电机可称为一次热源，轴承、螺母、导轨、切屑等称为二次热源。热变形是所有这些热源综合影响的结果。

立柱立式加工中心Y方向进给运动时的温升和变形。 Y方向进给时工作台不移动，因此对X方向热变形影响很小。立柱上，距离Y轴丝杠越远，温升越小。

机床沿Z轴移动时的情况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，因此热变形的影响较小。立柱距离Z轴电机螺母越近，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。一是指质量的大小和浓度，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，如各种筋的布置，来提高结构的热刚度。相同温升下，减少热变形的影响或保持相对变形较小；三是改变质量布置形式，如在结构外部布置散热筋，以降低机床部件的温升。

4）材料性能的影响：不同的材料具有不同的热性能参数（比热、导热系数和线膨胀系数）。在相同热量的影响下，它们的温升和变形是不同的。

2、机器热变形的控制

从以上分析和讨论可知，机床的温升和热变形影响加工精度的因素是多方面的。采取防治措施时，要抓住主要矛盾，集中采取一两项措施，达到事半功倍的效果。设计时应从减少发热、降低温升、结构平衡、合理散热四个方向入手。

(1)退烧

控制热源是根本措施。设计时应采取措施有效降低热源的发热量。

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。正常情况下，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，即相应的电流I也增加，则电流在电枢阻抗中散发的热量增加。如果我们设计选型的电机长期接近或大大超过额定功率工作，电机的温升就会明显增加。为此，对BK50数控针槽铣床（电机转速：960r/min；环境温度：12℃）的铣头进行了对比试验。

从以上实验得出以下概念： 从热源性能角度考虑，无论是主轴电机还是进给电机，在选择额定功率时，最好选择比额定功率大25%左右的功率。计算出的功率。实际运行中，电机的输出功率与负载一致。匹配、增大电机额定功率对能耗影响不大。但可以有效降低电机的温升。

2）采取适当的结构措施，降低二次热源的发热量，降低温升。

例如：设计主轴结构时，应提高前后轴承的同轴度，采用高精度轴承。有条件的情况下，将滑动导轨改为直线滚动导轨，或者使用直线电机。这些新技术可以有效减少摩擦、发热和温升。

3）技术方面，采用高速切削。基于高速切削的机理。

当金属切削线速度高于一定范围时，被切削金属来不及发生塑性变形，切屑上不产生变形热，大部分切削能转化为切屑的动能，被带走。

(2)结构平衡，减少热变形

在机床中，热源始终存在，如何使传热的方向和速度有利于减少热变形，需要进一步关注。或者结构具有良好的对称性，使传热沿对称方向进行，温度分布均匀，变形相互抵消，形成热亲合结构。

1）预应力和热变形。

在较高速度的进给系统中，滚珠丝杠的两端常被轴向固定，以形成预拉应力。这种结构不仅提高了高速进给的动、静稳定性，而且对减少热变形误差也起到了显着的作用。

轴向固定结构在总长度600mm内预拉伸35m，在不同进给速度下温升较为相似。两端固定的预拉伸结构的累积误差明显小于一端固定、另一端自由伸展的结构的累积误差。在两端轴向固定预紧结构中，加热引起的温升主要使螺杆内部的应力状态从拉应力转变为零应力或压应力。因此，对位移精度影响不大。

2）改变结构，改变热变形方向。

采用不同滚珠丝杠轴向固定结构的数控针槽铣床Z轴主轴滑台要求加工时铣槽深度误差为5m。螺杆下端采用轴向浮动结构，加工2小时内槽深从0逐渐加深至0.045mm。相反，采用螺杆上端浮动的结构可以保证槽深的变化。

3）机床结构几何形状的对称性可以使热变形趋势一致，最大限度地减少刀尖点的漂移。

例如，日本安田精密工具公司推出的YMC430微加工中心就是亚微米高速加工机床。机床的设计充分考虑了热性能。

首先，机床结构上采用完全对称的布局。柱、梁为H形一体化结构，相当于双柱结构，对称性好。近似圆形的主轴滑座也是纵向和横向对称的。

三个运动轴的进给驱动均采用直线电机，更容易实现结构的对称性。两个旋转轴采用直接驱动，最大限度地减少摩擦损失和机械传动。

3、合理的散热措施

1）加工时的冷却液对加工精度有直接影响。

在GRV450C双端磨床上进行了对比试验。试验表明，借助制冷机进行冷却液热交换对于提高加工精度非常有效。

采用传统的冷却液供给方式，30分钟后工件尺寸就会超差。使用冰箱后，正常处理可持续70分钟以上。 80分钟工件尺寸超差的主要原因是砂轮需要修整（去除砂轮表面的金属切屑），修整后即可恢复原来的加工精度。效果非常明显。同样，主轴的强制冷却也能带来非常好的结果。

2）增加自然冷却面积。

例如，在主轴箱结构上增加自然风冷区域，在空气流通良好的车间也能达到良好的散热效果。

3）及时自动排屑。

及时或实时地从工件、工作台和刀具部件中排出高温切屑，对于减少关键零件的温升和热变形将非常有帮助。