温度对数控加工精度的影响

热变形是影响加工精度的原因之一。机床受车间环境温度变化、电机发热及机械运动摩擦、切削热和冷却介质的影响，导致机床各部位温升不均匀，导致形状精度变化以及机床的加工精度。例如，在普通精度的数控铣床上加工70mm×1650mm的螺钉时，早上7:30-9:00铣削的工件与2:00-9:00加工的工件相比，累计误差可达85m。下午3点30分。在恒温条件下，误差可降至40m。

例如：用于0.6～3.5mm厚度薄钢板工件双端磨削的精密双端磨床，在加工200mm×25mm×1.08mm钢板工件时，验收时可达到毫米级尺寸精度，全长曲率小于5m。但连续自动磨削1h后，尺寸变化幅度增大至12m，冷却液温度由启动时的17℃升至45℃。由于磨削热的影响，主轴轴颈被拉长，主轴前轴承间隙增大。在此基础上，在机床冷却液箱中增加了一台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。这种变化因结构形式的不同和材料的差异而有很大差异。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，尽量减少热变形对加工精度的影响。

1、机床受温升、温度分布、自然气候的影响

人们对室内（如车间）温度的干预方式和程度也不同，机床周围的温度气氛变化很大。冬季的气温梯度十分复杂。实测时，室外温度为1.5℃，时间为早上8：15-8：35，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、周围环境对机器的影响

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4个方面：

1）车间小气候：如车间温度分布（垂直方向、水平方向）。当昼夜交替或气候、通风变化时，车间的温度会发生缓慢的变化。

2）车间热源：如阳光、加热设备及大功率照明灯具的辐射等，当它们靠近机床时，可直接影响机床整体或部分部位的温升。长期使用机床。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；一个开放式的车间将是一个很好的“散热器”，有利于车间的温度平衡。

4）恒温：车间采用的恒温设施对于保持精密机床的精度和加工精度非常有效，但能耗较大。

三、影响机器内部热量的因素

1）机床结构热源。主轴电机、进给伺服电机、冷却和润滑泵电机以及电子控制箱等电机的热量都会产生热量。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，应采取措施进行隔离。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，相当一部分在运动过程中仍然转化为摩擦热，如轴承、导轨、滚珠丝杠、传动箱等的发热。

2）加工过程中的切削热量。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变形能和切屑与刀具之间的摩擦热，形成刀具、主轴和工件的发热，并且大量的切屑热量传导到机床的工作台夹具等部件上。它们将直接影响刀具与工件之间的相对位置。

3）冷却。冷却是针对机床温升的逆向措施，如电机冷却、主轴部件冷却、基础结构件冷却等。高档机床电控箱往往配备冰箱，进行强制冷却。

4、机器结构形式对温升的影响

在机床热变形领域，对机床结构形式的讨论通常是指结构形式、质量分布、材料性能、热源分布等。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、悬臂式等，对热的响应和稳定性差异较大。例如，变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。斜床身精密车铣加工中心具有稳定的底座。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。其温升一般小于15℃。

2）热源分布的影响。机床上的热源通常被认为是电机。比如主轴电机、进给电机和液压系统等，其实是不完整的。电机产生的热量只是负载时电枢阻抗上的电流消耗的能量，相当一部分能量是由轴承、丝杠螺母和导轨的摩擦功消耗掉的。因此，电机可称为一次热源，轴承、螺母、导轨、切屑等可称为二次热源。热变形是所有这些热源综合影响的结果。立柱移动立式加工中心Y轴进给运动过程中的温升和变形。 Y轴进给时工作台不移动，因此对X轴热变形的影响很小。立柱上，距Y轴丝杠越远，其温升越小。机床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轴较远，因此热变形影响较小。立柱上的Z轴电机螺母距离Z轴越近，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主要体现在三个方面。一是指质量的大小和浓度，通常是指改变热容量和传热速度，改变达到热平衡的时间；其次，通过改变质量的布局，如各种筋的布局，提高结构的热刚度，在相同的温升下，减少热变形的影响或保持较小的相对变形。第三，是指改变质量的布局，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。

5. 机器热性能测试

(1)机床热性能测试的目的控制机床热变形的关键是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响应通过热特性测试得到关键点（变形位移）。测试数据或曲线描述了机床的热特性，以便采取对策控制热变形，提高机床的加工精度和效率。

具体来说，应实现以下目标：

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、昼夜交替时温度分布的变化，甚至测量季节变化对机床周围温度分布的影响。

2）测试机床本身的热特性。在尽可能消除环境干扰的情况下，将机床置于各种运行状态下，测量机床本身重要点的温度变化和位移变化，记录足够长的时间内的温度变化和关键点位移时间段，并使用红外热像仪记录每个时间段的热分布。

3）测试加工过程中的温升和热变形，以确定机床热变形对加工过程精度的影响。

4）上述试验可以积累大量的数据和曲线，为机床设计和用户控制热变形提供可靠的依据，并为采取有效措施指明方向。

(2)机床热变形试验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：包括各部分进给电机、主轴电机、滚珠丝杠传动副、导轨、主轴轴承。 2）辅助装置：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、滑座、立柱、铣头箱和主轴。主轴与转台之间夹紧一根铟钢测量杆，在X、Y、Z方向配置5个接触式传感器，测量各种状态下的综合变形，模拟刀具与工件之间的相对位移。

(3)试验数据处理与分析机床的热变形试验应在较长的连续时间内进行，并进行连续的数据记录。经过分析处理，反映的热变形特性可靠性高。如果通过多次检验消除了误差，则所显示的规律性是可信的。主轴系统热变形试验共设置5个测量点，其中点1和点2位于主轴端部且靠近主轴轴承，点4和点5分别位于铣削处头罩靠近Z导轨。测试持续了14个小时。在前10小时内，主轴转速在0～9000r/min范围内交替变化。从第10小时开始，主轴继续以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1小时，平衡后温升变化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向膨胀变形较大，约10m，这是由主轴热伸长和轴承间隙增大引起的。

5）当转速持续在9000r/min时，温度急剧上升，2.5h内上升约7℃，并有持续上升的趋势。 Y、Z方向的变形量分别达到29m和37m，说明主轴不能再以9000r/min的转速稳定运行，但可以在短时间内（20min）运行。

以上分析讨论了机床热变形的控制。影响机床温升和热变形对加工精度的因素有很多。在采取防治措施时，要抓住主要矛盾，采取相应措施，才能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。减少发热、控制热源是根本措施。设计时应采取措施有效减少热源的发热量。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，电枢阻抗中电流消耗的热量增加。如果我们设计选型的电机长期在接近或大大超过额定功率的条件下工作，电机的温升就会明显增加。为此，对BK50数控针槽铣床铣头（电机转速：960r/min；环境温度：12℃）进行了对比试验。从以上测试得出以下概念： 考虑到热源性能，无论是主轴电机还是进给电机，在选择额定功率时，最好选择比计算功率大25%左右的电机。实际运行时，电机的输出功率与负载相匹配。提高电机额定功率对能耗影响不大，但能有效降低电机温升。