熱量是影響加工精度的原因之一。機(jī)床受車間環(huán)境溫度變化、電機(jī)發(fā)熱、機(jī)械運(yùn)動(dòng)摩擦、切削熱、冷卻介質(zhì)的影響，導(dǎo)致機(jī)床各部分溫升不均勻，造成機(jī)床形狀精度和加工精度的變化。例如，在普通精密數(shù)控銑床上加工一個(gè)70mm×1650mm的螺釘，與下午2:00-3:30加工的工件相比，上午7:30-9:00加工的工件累計(jì)誤差可達(dá)85m。在恒溫條件下，誤差可降至40m。

再如，一臺(tái)用于磨削兩端厚度為0.6 ~ 3.5 mm的薄鋼件的精密雙頭磨床，在驗(yàn)收時(shí)加工厚度為200mm×25mm×1.08mm的鋼件時(shí)，尺寸精度可達(dá)到mm，且曲率在全長(zhǎng)小于5m。然而，在連續(xù)自動(dòng)研磨1h后，尺寸變化范圍增加到12m，冷卻液溫度從啟動(dòng)時(shí)的17℃增加到45℃。由于磨削熱的影響，主軸軸頸變長(zhǎng)，主軸前軸承間隙增大。所以在機(jī)床的冷卻液箱上加一個(gè)5.5kW的制冷機(jī)，效果非常理想。實(shí)踐證明，機(jī)床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因。但是機(jī)床處于一個(gè)溫度隨時(shí)隨地變化的環(huán)境中；機(jī)床本身在工作時(shí)，必然會(huì)消耗能量，而這些能量中有相當(dāng)一部分會(huì)通過各種方式轉(zhuǎn)化為熱量，從而引起機(jī)床各部件的物理變化，而這種變化會(huì)因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)形式和材料的不同而千差萬別。機(jī)床設(shè)計(jì)者應(yīng)掌握熱量的形成機(jī)理和溫度分布規(guī)律，并采取相應(yīng)措施，將熱變形對(duì)加工精度的影響降到最低。

機(jī)床溫升及分布與自然氣候影響我國(guó)幅員遼闊，大部分地區(qū)位于亞熱帶地區(qū)。一年四季氣溫變化很大，一天的溫差變化也不一樣。于是，人們對(duì)室內(nèi)(如車間)溫度的干預(yù)方式和程度不同，機(jī)床周圍的溫度氛圍也千差萬別。例如，在長(zhǎng)江三角洲地區(qū)，季節(jié)溫度變化約為45℃，晝夜溫度變化約為5 ~ 12℃。一般機(jī)加工車間冬天沒有暖氣，夏天沒有空調(diào)，但只要車間通風(fēng)良好，機(jī)加工車間的溫度梯度變化不大。在東北地區(qū)，季節(jié)溫差可達(dá)60℃，日變化約為8 ~ 15℃。采暖期為10月底至次年4月初。機(jī)加工車間設(shè)計(jì)有暖氣，空氣流通不充分。車間內(nèi)外溫差可達(dá)50℃。因此，冬季車間內(nèi)的溫度梯度非常復(fù)雜。測(cè)量時(shí)室外溫度為1.5℃，時(shí)間為上午8:15-8:35，車間內(nèi)溫度變化約為3.5℃。在這樣的車間里，環(huán)境溫度會(huì)極大地影響精密機(jī)床的加工精度。

周圍環(huán)境的影響機(jī)床周圍環(huán)境是指機(jī)床近距離范圍內(nèi)各種布局形成的熱環(huán)境。

它們包括以下四個(gè)方面:

1)車間微氣候:如車間內(nèi)的溫度分布(垂直方向和水平方向)。當(dāng)晝夜交替或氣候、通風(fēng)發(fā)生變化時(shí)，車間溫度會(huì)緩慢變化。

2)車間熱源:如太陽輻射、加熱設(shè)備輻射、大功率照明等。，當(dāng)它們靠近機(jī)床時(shí)，可長(zhǎng)時(shí)間直接影響機(jī)床整體或部分零件的溫升。相鄰設(shè)備運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的熱量會(huì)通過輻射或氣流影響機(jī)床的溫升。

3)散熱:基礎(chǔ)具有良好的散熱功能，尤其是精密機(jī)床的基礎(chǔ)不宜靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏，可能成為難以查找原因的熱源；開放式的車間會(huì)是一個(gè)很好的“散熱器”，有利于車間內(nèi)的溫度平衡。

4)恒溫:在車間采用恒溫設(shè)施，對(duì)保持精密機(jī)床的精度和加工精度非常有效，但能耗較高。

3.影響機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱的因素

1)機(jī)床的結(jié)構(gòu)熱源。主軸電機(jī)、進(jìn)給伺服電機(jī)、冷卻潤(rùn)滑泵電機(jī)、電控箱等電機(jī)。會(huì)產(chǎn)生熱量。這些條件對(duì)電機(jī)本身是允許的，但對(duì)主軸、滾珠絲杠等部件有顯著的不利影響，應(yīng)采取措施加以隔離。當(dāng)輸入的電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，除了一小部分(20%左右)轉(zhuǎn)化為電機(jī)的熱能外，大部分都會(huì)被運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，如主軸旋轉(zhuǎn)、工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)等。但不可避免的是，運(yùn)動(dòng)中有相當(dāng)一部分熱量是摩擦產(chǎn)生的，比如軸承、導(dǎo)軌、滾珠絲杠、傳動(dòng)箱產(chǎn)生的熱量。

2)工藝過程中的截?zé)?。在切削過程中，刀具或工件的一部分動(dòng)能消耗在切削功中，而相當(dāng)一部分轉(zhuǎn)化為切削變形能和切屑與刀具之間的摩擦熱，導(dǎo)致刀具、主軸和工件的發(fā)熱，這些熱量由大量切屑傳導(dǎo)到機(jī)床的工作臺(tái)和夾具上。它們將直接影響刀具和工件之間的相對(duì)位置。

3)冷卻。冷卻是針對(duì)機(jī)床溫升的一種應(yīng)對(duì)措施，如電機(jī)冷卻、主軸冷卻、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)冷卻等。高端機(jī)床經(jīng)常用冰箱強(qiáng)制冷卻電控箱。

4.機(jī)床結(jié)構(gòu)對(duì)溫升的影響。在機(jī)床熱變形領(lǐng)域，討論機(jī)床結(jié)構(gòu)，通常是指結(jié)構(gòu)形式、質(zhì)量分布、材料性能和熱源分布。結(jié)構(gòu)影響機(jī)床的溫度分布、熱傳導(dǎo)方向、熱變形方向和匹配。

1)機(jī)床的結(jié)構(gòu)。就總體結(jié)構(gòu)而言，機(jī)床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等。，它們?cè)跓犴憫?yīng)和穩(wěn)定性方面有很大差異。比如帶換擋的車床主軸箱溫升可高達(dá)35℃，使主軸端抬起，熱平衡時(shí)間需要2h左右。在傾斜床身精密車銑加工中心，機(jī)床有一個(gè)穩(wěn)定的基礎(chǔ)。整機(jī)剛性明顯提高，主軸采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，去掉了齒輪傳動(dòng)部分，其溫升一般小于15℃。

2)熱源分布的影響。一般來說，機(jī)床中的熱源是指電機(jī)。比如主軸電機(jī)，進(jìn)給電機(jī)，液壓系統(tǒng)，其實(shí)都是不完整的。電機(jī)的發(fā)熱只是電機(jī)帶負(fù)載時(shí)電流在電樞阻抗上消耗的能量，還有相當(dāng)一部分能量被軸承、螺母、導(dǎo)軌的摩擦做功產(chǎn)生的發(fā)熱所消耗。所以電機(jī)可以稱為一級(jí)熱源，軸承、螺母、導(dǎo)軌、芯片可以稱為二級(jí)熱源。熱量是所有這些熱源綜合影響的結(jié)果。立柱移動(dòng)式立式加工中心Y向進(jìn)給過程中的溫升和變形。Y方向進(jìn)給時(shí)，工作臺(tái)不移動(dòng)，所以對(duì)X方向的熱變形影響很小。在立柱上，離Y軸絲杠越遠(yuǎn)，溫升越小。機(jī)床在Z軸上的運(yùn)動(dòng)進(jìn)一步說明了熱源分布對(duì)熱變形的影響。z軸進(jìn)給距離x方向較遠(yuǎn)，因此熱變形影響較小。立柱離z軸電機(jī)的螺母越近，溫升和變形越大。

3)質(zhì)量分布的影響。質(zhì)量分布對(duì)機(jī)床熱變形的影響有三個(gè)方面。一是指質(zhì)量大小和集中度，通常指改變熱容量和傳熱速度，改變達(dá)到熱平衡的時(shí)間。

其次，通過改變質(zhì)量的布置形式，如各種加強(qiáng)筋的布置，可以提高結(jié)構(gòu)的熱剛度，在相同的溫升下，可以減小熱變形的影響或保持較小的相對(duì)變形；

三是指通過改變質(zhì)量布置的形式來降低機(jī)床部件的溫升，如在結(jié)構(gòu)外部布置散熱筋。

材料性質(zhì)的影響:不同的材料有不同的熱性能參數(shù)(比熱、導(dǎo)熱系數(shù)、線膨脹系數(shù))。在同樣的熱量作用下，它們的溫升和變形是不同的。機(jī)床熱性能測(cè)試

1.機(jī)床熱性能試驗(yàn)的目的。控制機(jī)床熱變形的關(guān)鍵是通過熱性能試驗(yàn)，充分了解機(jī)床環(huán)境溫度的變化、機(jī)床本身的熱源和溫度變化以及關(guān)鍵點(diǎn)(變形和位移)的響應(yīng)。測(cè)試數(shù)據(jù)或曲線描述機(jī)床的熱特性，以便采取對(duì)策，控制熱變形，提高機(jī)床的加工精度和效率。

具體而言，應(yīng)達(dá)到以下目的:

1)測(cè)試機(jī)床周圍環(huán)境。測(cè)量車間內(nèi)的溫度環(huán)境，其空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變化，甚至季節(jié)變化對(duì)機(jī)床周圍溫度分布的影響。

2)機(jī)床本身的熱特性測(cè)試。在盡可能排除環(huán)境干擾的情況下，讓機(jī)床處于各種運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量機(jī)床本身重要點(diǎn)的溫度變化和位移變化，記錄足夠長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)關(guān)鍵點(diǎn)的溫度變化和位移。你也可以使用紅外熱成像來記錄每個(gè)時(shí)間段的熱量分布。

3)測(cè)試加工過程中的溫升和熱變形，判斷機(jī)床熱變形對(duì)加工精度的影響。

4)上述試驗(yàn)可以積累大量的數(shù)據(jù)和曲線，將為機(jī)床設(shè)計(jì)和用戶控制熱變形提供可靠的判據(jù)，并指明采取有效措施的方向。

2.機(jī)床熱變形測(cè)試原理。熱變形試驗(yàn)首先需要測(cè)量幾個(gè)相關(guān)點(diǎn)的溫度，包括以下幾個(gè)方面:

1)熱源:包括進(jìn)給電機(jī)、主軸電機(jī)、滾珠絲杠傳動(dòng)副、導(dǎo)軌和主軸軸承。

2)輔助設(shè)備:包括液壓系統(tǒng)、制冷機(jī)、冷卻和潤(rùn)滑位移檢測(cè)系統(tǒng)。

3)機(jī)械結(jié)構(gòu):包括床身、底座、滑板、立柱、銑頭箱和主軸。在主軸和轉(zhuǎn)臺(tái)之間夾一根銦鋼測(cè)量桿，在X、Y、Z三個(gè)方向上布置五個(gè)接觸式傳感器，測(cè)量各種狀態(tài)下的綜合變形，從而模擬刀具和工件之間的相對(duì)位移。

3.測(cè)試數(shù)據(jù)處理和分析。機(jī)床的熱變形試驗(yàn)應(yīng)在較長(zhǎng)的連續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行，并有連續(xù)的數(shù)據(jù)記錄。經(jīng)過分析和處理，反映的熱變形特征的可靠性很高。如果通過多次實(shí)驗(yàn)消除了誤差，所顯示的規(guī)律性是可信的。主軸系統(tǒng)熱變形測(cè)試共有五個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)2分別位于主軸末端和主軸軸承附近，測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5分別位于Z向?qū)к壐浇你婎^外殼處。試驗(yàn)持續(xù)14小時(shí)，其中主軸轉(zhuǎn)速在前10小時(shí)在0 ~ 9000r/min范圍內(nèi)交替變化，主軸從前10小時(shí)開始繼續(xù)以9000r/min的高速旋轉(zhuǎn)。

可以得出以下結(jié)論:

1)主軸熱平衡時(shí)間約為1h，平衡后溫升范圍為1.5℃；

2)溫升主要來自主軸軸承和主軸電機(jī)。在正常轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，軸承的熱性能良好；

3)熱變形在X方向影響不大；

4)Z向伸縮變形較大，約10m，是主軸熱伸長(zhǎng)和軸承間隙增大造成的；

5)轉(zhuǎn)速保持在9000r/min時(shí)，溫度急劇上升，2.5h約7℃，Y、Z方向變形達(dá)到29m、37m，說明主軸在9000r/min時(shí)不能穩(wěn)定運(yùn)行，但在短時(shí)間內(nèi)(20min)可以運(yùn)行。通過以上分析，討論了機(jī)床熱變形的控制。由于機(jī)床的溫升和熱變形，影響加工精度的因素很多。在采取控制措施時(shí)，要抓住主要矛盾，重點(diǎn)采取一兩項(xiàng)措施，事半功倍。在設(shè)計(jì)中要從減少發(fā)熱、降低溫升、結(jié)構(gòu)平衡、合理散熱四個(gè)方向入手。

1.降低熱量，控制熱源是根本措施。設(shè)計(jì)中應(yīng)采取措施有效降低熱源的熱值。

1)合理選擇電機(jī)的額定功率。電機(jī)的輸出功率P等于電壓V和電流I的乘積，一般情況下電壓V是恒定的。因此，負(fù)載的增加意味著電機(jī)的輸出功率增加，即對(duì)應(yīng)的電流I也增加，電樞阻抗中電流消耗的熱量增加。如果我們?cè)O(shè)計(jì)和選用的電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)期工作在接近或大大超過額定功率的情況下，電動(dòng)機(jī)的溫升會(huì)明顯增加。為此，對(duì)BK50數(shù)控針槽銑床的銑頭進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)(電機(jī)轉(zhuǎn)速:960 r/min；環(huán)境:12℃)。從上面的測(cè)試中得出了以下幾個(gè)概念:考慮到熱源的性能，在選擇主軸電機(jī)或進(jìn)給電機(jī)的額定功率時(shí)，最好選擇比計(jì)算功率高25%左右。實(shí)際運(yùn)行中，電機(jī)輸出功率與負(fù)載匹配，提高電機(jī)額定功率對(duì)能耗影響不大。但是可以有效降低電機(jī)溫升。