各（gè）種溫差影響數控機床精度的原（yuán）因

機床受（shòu）到車間（jiān）環境溫度（dù）的變化、電動機發熱和機械運動摩（mó）擦發熱、切削熱以及冷卻介質的影響，造成機床各（gè）部的溫升不均勻，導致（zhì）機床形態精度及加工（gōng）精度的變化（huà）。

例如，在一台普通（tōng）精度的數控銑床上加工70mm×1650mm的（de）螺杆，上午7:30-9:00銑削的工件與（yǔ）下午2:00-3:30加工的工件相比，累積誤差的變化可達85m。而在恒溫條件下，則（zé）誤差可減小至40m。

再（zài）如，一台用於雙端麵磨削0.6～3.5mm厚（hòu）的薄鋼片工件的精密雙端麵磨床，在（zài）驗收時（shí）加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能（néng）達到mm的尺（chǐ）寸精度，彎曲度（dù）在全長內小於5m。但連續自動磨削1h後，尺寸變化範圍增大到12m，冷卻液溫度由開機（jī）時的17℃上升（shēng）到45℃。由於（yú）磨削熱的影響，導致主軸軸頸伸長，主軸前軸承間隙增（zēng）大。據（jù）此，為該機床冷卻液箱添（tiān）加一台5.5kW製冷機，效果十分理想。

實踐證明，機床受熱後的變形是影響加（jiā）工精（jīng）度的重要原因（yīn）。但機床是處在溫度隨時隨處變化的（de）環境中；機床本身在工作（zuò）時必然會消耗（hào）能量，這些能量的相當一部分會以各種方式轉化為（wéi）熱，引起機（jī）床各構（gòu）件的物理變化，這種（zhǒng）變化又（yòu）因為（wéi）結構形式的不同（tóng），材質的差異等（děng）原因而千差萬別（bié）。機（jī）床（chuáng）設計師應掌握熱的形成機（jī）理（lǐ）和溫度分布規（guī）律，采取相應的措施，使熱（rè）變形對（duì）加工（gōng）精度的影響減少到最小。

一、機床的溫升及溫度分布

1、自然氣候影響

我國幅員遼闊，大部分地區處於亞熱（rè）帶地區，一年四季的溫度變（biàn）化較大，一天（tiān）內溫差變化也不一（yī）樣（yàng）。由此，人們對室內（如車間）溫度的幹預的方式和程度（dù）也不同，機（jī）床周圍的溫度氛（fēn）圍千差萬別。

例如，長三角地區季節溫度變化範圍約45℃左右（yòu），晝夜溫度（dù）變化約5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱，夏天無（wú）空調，但隻要車間通風較好，機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區，季節溫差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬（xún）至次年4月初為（wéi）供暖期，機加工車間的設計有供暖，空氣流（liú）通不足。車（chē）間（jiān）內外溫差可達50℃。因（yīn）此車間內冬季的溫度梯度十分複雜（zá），測量時（shí）室外溫度1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車（chē）間內溫（wēn）度變化約3.5℃。精密機床的加工精度在這樣的車間內（nèi）受環境溫度影響將（jiāng）是很（hěn）大的。

2、周圍環境（jìng）的影響

機床（chuáng）周圍環境是指機床近距（jù）離（lí）範圍內各種（zhǒng）布局形成的熱環境。它們包（bāo）括（kuò）以下3個方麵。

（1）車間小氣候：如車間內溫度的（de）分（fèn）布（bù）（垂直方向、水平方向）。當（dāng）晝夜交替或氣候以及通風變化時車間溫度均會產生緩（huǎn）慢變化（huà）。

（2）車間熱源：如（rú）太陽照射、供暖設備和大功率照明燈的輻射等，它們離機床較近時可（kě）直接（jiē）長時間（jiān）影響（xiǎng）機床整體或部分部件的溫升。相鄰設（shè）備在運行時產生的熱量會以幅射或空氣流動的方式影響機床溫升。

（3）散熱：地基有較好的散熱作用（yòng），尤其是精密機床的地基切忌靠近地下供熱管道，一旦破裂泄漏時，可能成為一個難以找到原因（yīn）的熱源；敞開的車（chē）間將（jiāng）是一個很好的“散熱器”，有利於車間（jiān）溫度均衡。

（4）恒溫：車間采取恒溫設施對精密機床保持精度和加（jiā）工精度是很有效（xiào）果的，但能耗較大。

3、機床內部熱（rè）影（yǐng）響因素

（1）機床結構性熱源。電動機發熱如主軸電動機（jī）、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電（diàn）動機、電控箱等均（jun1）可產生熱量。這些情況對電動機本（běn）身來說是允許（xǔ）的，但對於主軸、滾珠絲杠等元器件（jiàn）則有重大不利影響，應采取措施予以隔離。當輸入電能驅動電動機運轉時，除了（le）有少（shǎo）部分（約20%左右）轉化為電動機熱能外，大部分將由（yóu）運動機構轉化為動能，如主軸旋轉、工作台運動等；但不可避免的仍有相當部（bù）分在（zài）運動過程中轉化為摩擦發熱，例如軸承、導軌、滾（gǔn）珠絲杠和傳動箱等機構發熱。

（2）工藝過程（chéng）的切削熱。切削過程中刀具或工件的（de）動能一部分消耗於切（qiē）削功，相當一部分則轉化切削的變形能和切屑與刀具間的摩（mó）擦熱，形成刀具（jù）、主軸和工件發熱，並由大量（liàng）切屑熱傳導給機床（chuáng）的工作台夾具等部件（jiàn）。它們將直接影響刀具和工（gōng）件間的相對位置。

（3）冷卻。冷卻是針對機床溫度升高的反向措施，如電（diàn）動（dòng）機冷卻、主軸部件冷卻以及基礎結構件冷卻等。高端機（jī）床往往對電控箱配製冷機，予以強迫冷卻。

4、機床的結構形態對溫升（shēng）的（de）影響

在機床熱變（biàn）形領域討論機床結（jié）構形（xíng）態，通常指結構形式、質量分布、材料性能和熱源分布等問題（tí）。結構形態影響機（jī）床的溫度（dù）分布、熱（rè）量的傳導方向、熱變形方（fāng）向及匹配等（děng）。

（1）機床的結構形態。在總體結構方麵，機床有（yǒu）立式、臥式、龍門式和懸（xuán）臂式等，對於熱的響（xiǎng）應和穩定性均（jun1）有較大差異。例如齒輪變速（sù）的車床主軸箱的溫升可高（gāo）達35℃，使主軸（zhóu）端上抬，熱（rè）平衡時間需2h左右（yòu）。而斜（xié）床身式精密車銑加工中心，機床有一個穩定的底（dǐ）座。明顯（xiǎn）提高了整機剛度，主軸采用伺服電（diàn）動機驅動，去除了齒（chǐ）輪（lún）傳動部（bù）分（fèn），其溫升一般小（xiǎo）於15℃。

（2）熱源分布（bù）的影響。機床上通常認為熱源是指電動機。如主軸電動機、進給電動機（jī）和液壓係統等，其實是不完全的。電動機的發熱隻是在承擔負荷時，電流消耗在（zài）電樞阻抗上的能量，另有相當一部分能（néng）量消耗於軸承、絲杠螺母和導軌等機（jī）構（gòu）的摩擦功引起的發熱。所以可（kě）把電動機稱為一次熱源，將軸承、螺母、導軌和（hé）切屑稱之為二次熱源。熱變形（xíng）則是所有這些熱源綜合影響的結果。

一台立柱移動式立式加工中心在Y向進給（gěi）運動（dòng）中溫升和變形情（qíng）況。Y向進給時工作台未作運動（dòng），所以對X向的熱變形影響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越（yuè）遠的點，其溫升越小。

該機在Z軸移動時的情況則更（gèng）進一步說明了（le）熱源分布對熱變形的影（yǐng）響。Z軸進給離X向更遠（yuǎn），故（gù）熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機螺母越近，溫升及（jí）變形也越大。

（3）質量分布的影（yǐng）響。質量分布對（duì）機床熱變形的影響有三方麵。其一，指質量大小與集中程度（dù），通常指改變熱容量（liàng）和熱傳遞的速度，改變達到熱平衡的時間；其二，通過改變質量的布置形式，如各種筋（jīn）板的布（bù）置，提（tí）高結構的熱剛度，在同樣溫升（shēng）的情況下，減小熱變形影響或保持相對（duì）變形較小；其三，則（zé）指通過改變質量布置（zhì）的形式，如在結構外部布置（zhì）散（sàn）熱筋板，以降低機床部件的（de）溫升。

（4）材料性能的影響：不同（tóng）的（de）材料有不同的熱性能參數（比熱（rè）、導熱率和線膨脹（zhàng）係數），在同樣熱（rè）量的影響下，其溫升、變（biàn）形均有不同。

二、機床熱性能的測試

1、機床熱性能測試的目的

控（kòng）製機（jī）床熱變形的關鍵是通過熱特性測試，充分了解機床所處的環境溫度的變化，機床本身熱源及溫（wēn）度（dù）變化以及（jí）關鍵點的響應（變形位移）。測試數據或曲線（xiàn）描述一台機床熱特（tè）性，以（yǐ）便采取（qǔ）對策，控製熱變形，提高機床的加工（gōng）精度和效率。具體地說，應達到以下幾個目的：

（1）機床周（zhōu）圍環境測試。測量車（chē）間內的溫（wēn）度環境，它的空間溫度梯度，晝夜交替中溫度分布的變（biàn）化，甚至應測量季節變化對機床周圍溫度分布的影響。

（2）機床本身（shēn）的熱特性測試。盡可能（néng）地排除環境幹擾的條件下，讓機床處於各種（zhǒng）運轉（zhuǎn）狀態，以測量機床本（běn）身的重要點（diǎn）位的溫度變化、位移變化，記錄在足夠長的時間段內的溫度變化和關鍵點位移，也可用紅外線（xiàn）熱相儀記錄各時間（jiān）段熱分布的情況。

（3）加工過程測試溫升熱變形，以判斷機床（chuáng）熱變（biàn）形對加工過程精度的影響。

（4）上述試驗可積（jī）累大量的數（shù）據、曲（qǔ）線，將為（wéi）機床（chuáng）設計和使用者控製熱變形（xíng）提供可靠的判據，指出采取（qǔ）有效措施的方向。

2、機床熱變（biàn）形測（cè）試的原理

熱變形測試首先需要測量若幹（gàn）相關點的溫度，包含以下幾方麵：

（1）熱源：包括各部分進給電動機、主軸電動機、滾珠絲杠傳動副（fù）、導軌、主軸軸承。

（2）輔助裝置：包括液壓係統、製冷機、冷卻和潤滑位移檢測係統。

（3）機械結構：包括床身（shēn）、底座、滑板、立柱和銑頭箱（xiāng）體和主軸。

在主軸和回轉工作台之間夾持有銦鋼測棒，在X、Y、Z方向配置了（le）5個接觸式傳感器，測量在各種狀（zhuàng）態下的綜合變形，以模擬刀具和工件間的相對位移（yí）。

3、測試數據處理分析

機床熱變形試驗要在一（yī）個（gè）較（jiào）長的連續時間內進行，進行連續的數據記錄，經過分（fèn）析處理，所反（fǎn）映的（de）熱變形（xíng）特性可靠性很高。如果通過多次試驗進行誤差剔除，則所顯示的規律性是可信的。

主軸係統熱（rè）變形試驗中共設置了5個測量點，其中點1、點（diǎn）2在（zài）主軸端部和靠近主軸軸承處，點4、點（diǎn）5分別在銑（xǐ）頭殼（ké）體靠近Z向導軌處。測試時間共（gòng）持續了14h，其中前10h主軸轉速分別（bié）在0～9000r/min範圍內交替變速，從第10h開始（shǐ），主軸持續以（yǐ）9000r/min高速旋轉。可以得到以下結論：

（1）該主軸的熱平（píng）衡時間約1h左右，平（píng）衡後（hòu）溫升變化範圍1.5℃；

（2）溫升主要來源（yuán）於主軸軸（zhóu）承和主軸電動機（jī），在正常變速範圍（wéi）內（nèi），軸（zhóu）承的熱（rè）態性能良好（hǎo）；

（3）熱變（biàn）形在X向影響很小；

（4）Z向伸縮變形較大，約（yuē）10m，是由主軸的熱伸長及軸承間隙增大引起（qǐ）的（de）；

（5）當（dāng）轉速（sù）持續在9000r/min時，溫升急劇上升，在2.5h內急（jí）升7℃左右（yòu），且有繼續上升的趨勢，Y向和（hé）Z向（xiàng）的變形達到了29m和37m，說明該主（zhǔ）軸在轉速為9000r/min時已不能穩定運行，但（dàn）可以短時間內（20min）運行。

三、機床（chuáng）熱變形的控製

由以上分（fèn）析討論，機床的溫升和熱變形（xíng）對加工精度的影響因素多種多樣，采取控製措施時，應抓住主要矛盾，重點采取一、二項措施，取得事半功倍的效果。在設計中應從4個方向入手：減少發熱，降低溫升，結構（gòu）平衡，合理冷卻。

1、減少發熱

控製熱源是根本的措施。在設計中要采取措施有效降（jiàng）低（dī）熱源的發熱量。

（1）合理選取（qǔ）電動機的額定功率（lǜ）。

電動機的輸出（chū）功率（lǜ）P等於電壓（yā）V和電流（liú）I的乘積（jī），一（yī）般情況下，電（diàn）壓V是恒定的，因此，負荷的增大，意（yì）味著電動機（jī）輸出功率增大，即相（xiàng）應（yīng）的電（diàn）流I也增大，則電流消耗在電樞阻抗的熱量增大。若草莓视频大全所（suǒ）設（shè）計選擇的電動機長時間在接近或大（dà）大超過額定功率的條件下工作，則電動機的溫升明顯增大。為此，對BK50型數（shù）控針槽銑（xǐ）床銑（xǐ）頭進行了對比試（shì）驗（電動機轉速：960r/min；環境溫（wēn）度：12℃）。

從上述試驗（yàn）得到以下概念：從熱源性能考慮，無論主軸電動機還是進給電動機，選（xuǎn）擇額定功率時（shí），最好選比計算功率大25%左右（yòu）為宜，在實際運行（háng）中，電動機的輸出功率與負荷相匹配，增大電動機額定功（gōng）率對於能耗的影響很小。但（dàn）可有效降低電動機溫升。

（2）結構上采取適（shì）當措施，減小二次熱（rè）源的發熱量，降低溫升。

例如：主軸結構設計時，應提（tí）高前後軸承的同軸度，采用（yòng）高精度軸承（chéng）。在可能的條件下，將（jiāng）滑動導軌（guǐ）改為直線滾（gǔn）動導軌，或采用直線電動機。這些新技術都可以有效地減小摩擦、減少發熱、降低溫升。

（3）在工藝上，采用（yòng）高速切削。基於高速切削的機理。

當金屬切削的線速度高於一定範圍（wéi）時（shí），被切削金屬來不及（jí）產生塑性變形，切屑上不產生變形熱，切削能量大多數轉化為切屑動能被帶走。

2、結構平衡，以降低熱變形

在機床上，熱（rè）源是永遠存在的，進一步需要關注的是如何讓（ràng）熱傳遞方向和速度有利於減少熱變形。或者結構又有（yǒu）很好的對稱（chēng）性，使熱（rè）傳遞經沿對（duì）稱方向，使溫度分布均勻，變形互相抵消，成為熱（rè）親和結構。

（1）預應（yīng）力和熱變形。

在較高速的進給係統中，往（wǎng）往采用滾珠絲杠兩端軸向固定，形成預拉伸應力。這種結構（gòu）對高速進（jìn）給來說，除了提高（gāo）動（dòng）靜態穩定性外，對（duì）於降低熱變形誤差具有（yǒu）明顯作用。

在全長（zhǎng）600mm內預（yù）拉伸35m的軸向固定結構在（zài）不同的（de）進給（gěi）速度下溫升比較接近。兩端固定預拉（lā）伸結（jié）構的累積誤差明顯（xiǎn）小於單端固定另（lìng）一端自由伸長的結構。在兩端軸向固定預拉伸結構中，發熱引起的溫升主要是改變絲杠內部的應（yīng）力（lì）狀態由拉應力變為零應力或壓應力。因此對位移精度影響較小。

（2）改變結構（gòu），改（gǎi）變熱變形方（fāng）向。

采用不同滾珠絲杠軸向固定結構的數控針槽銑床Z軸主軸滑座在加工（gōng）中要求銑（xǐ）槽深度誤差5m。采用絲杠下端軸向浮（fú）動結構，在加工2h內，槽深逐（zhú）漸加深從0到0.045mm。反之，采用絲杠上端浮動的結構，則能確保槽（cáo）深變化 。

（3）機床結構幾何形狀的對稱，可令熱變形走向一致，使刀尖點的漂移盡（jìn）量減（jiǎn）小。

例如，日（rì）本（běn）安田（Yasda）精密（mì）工具（jù）公司（sī）推出的YMC430微加工中心是亞微米高速加工（gōng）機（jī）床，機床的設（shè）計對熱（rè）性能（néng）進行了充分的考慮。

首先在機床結構上采取完全對稱布局，立柱（zhù）和橫梁是一體化結構，呈（chéng）H型，相當於雙立柱結構，具有（yǒu）良好的對稱性。近似圓（yuán）形的主（zhǔ）軸滑座無論在縱向還（hái）是橫向也（yě）都是（shì）對（duì）稱的。

3個（gè）移動軸的進給驅（qū）動均采用直線電（diàn）動機，結構上更加容易實（shí）現對稱性，2個回轉軸采用直接驅動，盡量減少機械傳動（dòng）的摩擦損耗和。

3、合理的冷卻措（cuò）施

（1）加工中的冷卻液對加工精度的影響是直接（jiē）的。

對（duì）GRV450C型（xíng）雙端麵磨床進（jìn）行了對比試驗。試驗表明：借助製冷機對冷卻液進行熱交換處理，對提高加工精度非常有效。

使用傳統的冷卻液供給方式，30min後，工件尺寸就超差。采用製冷機後，可以正常（cháng）加（jiā）工（gōng）到（dào）70min以上。在80min時工件尺寸超差的主要原因是砂（shā）輪需修整（去除砂（shā）輪（lún）麵上（shàng）的金（jīn）屬屑），修整後馬上即可回複原來的（de）加工精度。效果非常明顯。同樣，對於主軸的（de）強（qiáng）迫冷卻也能期望得到非常好的效果。

（2）增加自然冷卻麵（miàn）積。

例如在主軸箱體結構上添加自然風冷卻麵積，在空氣流通（tōng）較好的（de）車（chē）間內，也能起到很（hěn）好的散（sàn）熱效果。

（3）及時自動排屑。

及時或實時將高溫切屑排出工件、工作台及刀（dāo）具部分，將（jiāng）十分有利於減少關鍵部分的溫升和熱變形。