機床熱變形 機理 測量和控制

機床熱變形：機理、測量和控制張曙張炳生衛(wèi)美紅

1熱變形是影響加工精度的原因之一

機床受到車間環(huán)境溫度的變化、電動機發(fā)熱和機械運動摩擦發(fā)熱、切削熱以及冷卻介質的影響，造成機床各部的溫升不均勻，導致機床形態(tài)精度及加工精度的變化。

例如，在一臺普通精度的數控銑床上加工φ70mm×1650mm的螺桿，上午7:30-9:00銑削的工件與下午2:00-3:30加工的工件相比，累積誤差的變化可達85μm。而在恒溫條件下，則誤差可減小至40μm。

再如，一臺用于雙端面磨削0.6～3.5mm厚的薄鋼片工件的精密雙端面磨床，在驗收時加工200mm×25mm×1.08mm鋼片工件能達到mm的尺寸精度，彎曲度在全長內小于5μm。但連續(xù)自動磨削1h后，尺寸變化范圍增大到12μm，冷卻液溫度由開機時的17℃上升到45℃。由于磨削熱的影響，導致主軸軸頸伸長，主軸前軸承間隙增大。據此，為該機床冷卻液箱添加一臺5.5kW制冷機，效果十分理想。

實踐證明，機床受熱后的變形是影響加工精度的重要原因。但機床是處在溫度隨時隨處變化的環(huán)境中；機床本身在工作時必然會消耗能量，這些能量的相當一部分會以各種方式轉化為熱，引起機床各構件的物理變化，這種變化又因為結構形式的不同，材質的差異等原因而千差萬別。機床設計師應掌握熱的形成機理和溫度分布規(guī)律，采取相應的措施，使熱變形對加工精度的影響減少到最小。

2機床的溫升及溫度分布

2.1自然氣候影響

我國幅員遼闊，大部分地區(qū)處于亞熱帶地區(qū)，一年四季的溫度變化較大，一天內溫差變化也不一樣。由此，人們對室內(如車間)溫度的干預的方式和程度也不同，機床周圍的溫度氛圍千差萬別。例如，長三角地區(qū)季節(jié)溫度變化范圍約45℃左右，晝夜溫度變化約5～12℃。機加工車間一般冬天無供熱，夏天無空調，但只要車間通風較好，機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區(qū)，季節(jié)溫差可達60℃，晝夜變化約8～15℃。每年10月下旬至次年4月初為供暖期，機加工車間的設計有供暖，空氣流通不足。車間內外溫差可達50℃。因此車間內冬季的溫度梯度十分復雜，測量時室外溫度1.5℃，時間為上午8:15-8:35，車間內溫度變化約3.5℃，結果如圖1所示。精密機床的加工精度在這樣的車間內受環(huán)境溫度影響將是很大的。

2.2周圍環(huán)境的影響

機床周圍環(huán)境是指機床近距離范圍內各種布局形成的熱環(huán)境。它們包括以下3個方面。

圖1機械加工車間的溫度分布和溫度梯度

(1)車間小氣候：如車間內溫度的分布(垂直方向、水平方向)。當晝夜交替或氣候以及通風變化時車間溫度均會產生緩慢變化。

(2)車間熱源：如太陽照射、供暖設備和大功率照明燈的輻射等，它們離機床較近時可直接長時間影響機床整體或部分部件的溫升。相鄰設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，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的熱源；敞開的車間將是一個很好的“散熱器”，有利于車間溫度均衡。

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

2.3機床內部熱影響因素

(1)機床結構性熱源。電動機發(fā)熱——如主軸電動機、進給伺服電動機、冷卻潤滑泵電動機、電控箱等均可產生熱量。這些情況對電動機本身來說是允許的，但對于主軸、滾珠絲杠等元器件則有重大不利影響，應采取措施予以隔離。當輸入電能驅動電動機運轉時，除了有少部分(約20％左右)轉化為電動機熱能外，大部分將由運動機構轉化為動能，如主軸旋轉、工作臺運動等；但不可避免的仍有相當部分在運動過程中轉化為摩擦發(fā)熱，例如軸承、導軌、滾珠絲杠和傳動箱等機構發(fā)熱。

(2)工藝過程的切削熱。切削過程中刀具或工件的動能一部分消耗于切削功，相當一部分則轉化切削的變形能和切屑與刀具間的摩擦熱，形成刀具、主軸和工件發(fā)熱，并由大量切屑熱傳導給機床的工作臺夾具等部件。它們將直接影響刀具和工件間的相對位置。

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

2.4機床的結構形態(tài)對溫升的影響

在機床熱變形領域討論機床結構形態(tài)，通常指結構形式、質量分布、材料性能和熱源分布等問題。結構形態(tài)影響機床的溫度分布、熱量的傳導方向、熱變形方向及匹配等。

(1)機床的結構形態(tài)。在總體結構方面，機床有立式、臥式、龍門式和懸臂式等，對于熱的響應和穩(wěn)定性均有較大差異。例如齒輪變速的車床主軸箱的溫升可高達35℃，使主軸端上抬，熱平衡時間需2h左右。而斜床身式精密車銑加工中心，機床有一個穩(wěn)定的底座。明顯提高了整機剛度，主軸采用伺服電動機驅動，去除了齒輪傳動部分，其溫升一般小于15℃。

(2)熱源分布的影響。機床上通常認為熱源是指電動機。如主軸電動機、進給電動機和液壓系統(tǒng)等，其實是不完全的。電動機的發(fā)熱只是在承擔負荷時，電流消耗在電樞阻抗上的能量，另有相當一部分能量消耗于軸承、絲杠螺母和導軌等機構的摩擦功引起的發(fā)熱。所以可把電動機稱為一次熱源，將軸承、螺母、導軌和切屑稱之為二次熱源。熱變形則是所有這些熱源綜合影響的結果。

一臺立柱移動式立式加工中心在Y向進給運動中溫升和變形情況如圖2所示。Y向進給時工作臺未作運動，所以對X向的熱變形影響很小。在立柱上，離Y軸的導軌絲杠越遠的點，其溫升越小。

該機在Z軸移動時的情況如圖3所示。兩圖對比，則更進一步說明了熱源分布對熱變形的影響。Z軸進給離X向更遠，故熱變形影響更小，立柱上離Z軸電動機螺母越近，溫升及變形也越大。

(3)質量分布的影響。質量分布對機床熱變形的影響有三方面。其一，指質量大小與集中程度，通常指改變熱容量和熱傳遞的速度，改變達到熱平衡的時間；其二，通過改變質量的布置形式，如各種筋板的布置，提高結構的熱剛度，在同樣溫升的情況下，減小熱變形影響或保持相對變形較小；其三，則指通過改變質量布置的形式，如在結構外部布置散熱筋板，以降低機床部件的溫升。

(4)材料性能的影響：不同的材料有不同的熱性能參數(比熱、導熱率和線膨脹系數)，在同樣熱量的影響下，其溫升、變形均有不同。

圖3Z軸進給時的溫升和變形

3機床熱性能的測試

3.1機床熱性能測試的目的

控制機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(huán)境溫度的變化，機床本身熱源及溫度變化以及關鍵點的響應(變形位移)。測試數據或曲線描述一臺機床熱特性，以便采取對策，控制熱變形，提高機床的加工精度和效率。具體地說，應達到以下5個目的：

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

(2)機床本身的熱特性測試。盡可能地排除環(huán)境干擾的條件下，讓機床處于各種運轉狀態(tài)，以測量機床本身的重要點位的溫度變化、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，也可用紅外線熱相儀記錄各時間段熱分布的情況。

(3)加工過程測試溫升熱變形，以判斷機床熱變形對加工過程精度的影響。

(4)上述試驗可積累大量的數據、曲線，將為機床設計和使用者控制熱變形提供可靠的判據，指出采取有效措施的方向。

3.2機床熱變形測試的原理

現(xiàn)以圖4所示立柱移動式立式加工中心為例，說明熱變形測試原理和目的。

圖4熱變形測試原理

從圖中可見，熱變形測試首先需要測量若干相關點的溫度，包含以下幾方面：

(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、導軌、主軸軸承。

(2)輔助裝置：包括液壓系統(tǒng)、制冷機、冷卻和潤滑位移檢測系統(tǒng)。

(3)機械結構：包括床身、底座、滑板、立柱和銑頭箱體和主軸。

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

該圖描述了機床運轉負荷狀態(tài)，可以分步單獨運行測試，以記錄各種負荷狀態(tài)對熱變形的影響。例如，主軸以不同速度旋轉，各進給軸分別以不同速度進給，刀具切削狀態(tài)下，有無潤滑和冷卻狀態(tài)，加入恒定載荷，變化載荷或混合載荷，也包括考慮加入實際運行中的方式等因素

3.3測試數據處理分析

機床熱變形試驗要在一個較長的連續(xù)時間內進行，進行連續(xù)的數據記錄，經過分析處理，所反映的熱變形特性可靠性很高。如果通過多次試驗進行誤差剔除，則所顯示的規(guī)律性是可信的。

圖5主軸系統(tǒng)熱變形試驗

主軸系統(tǒng)熱變形試驗的記錄曲線如圖5所示。試驗中共設置了5個測量點，其中點1、點2在主軸端部和靠近主軸軸承處，點4、點5分別在銑頭殼體靠近Z向導軌處。測試時間共持續(xù)了14h，其中前10h主軸轉速分別在0～9000r/min范圍內交替變速，從第10h開始，主軸持續(xù)以9000r/min高速旋轉。從圖中可以得到以下結論：

(1)該主軸的熱平衡時間約1h左右，平衡后溫升變化范圍1.5℃；

(2)溫升主要來源于主軸軸承和主軸電動機，在正常變速范圍內，軸承的熱態(tài)性能良好；

(3)熱變形在X向影響很小，約＜0.005mm，Y向變形遠大于X向，鑒于點4、點5的溫升＜1℃，說明主軸Y向的變形主要來源于銑頭箱體結構，與絲杠和導軌無關聯(lián)。應改進銑頭的鑄件結構；

(4)Z向伸縮變形較大，約10μm，是由主軸的熱伸長及軸承間隙增大引起的；

(5)當轉速持續(xù)在9000r/min時，溫升急劇上升，在2.5h內急升7℃表1BK50型數控針槽銑床銑頭的溫升面。

從上述試驗得到以下概念：從熱源性能考慮，無論主軸電動機還是進給電動機，選擇額定功率時，最好選比計算功率大25％左右為宜，在實際運行中，電動機的輸出功率與負荷相匹配，增大電動機額定功率對于能耗的影響很小。但可有效降低電動機溫升。

(2)結構上采取適當措施，減小二次熱源的發(fā)熱量，降低溫升。例如：主軸結構設計時，應提高前后軸承的同軸度，采用高精度軸承。在可能的條件下，將滑動導軌改為直線滾動導軌，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(fā)熱、降低溫升。

(3)在工藝上，采用高速切削?；诟咚偾邢鞯臋C理。當金屬切削的線速度高于一定范圍時，被切削金屬來不及產生塑性變形，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。

4.2結構平衡，以降低熱變形

在機床上，熱源是永遠存在的，進一步需要關注的是如何讓熱傳遞方向和速度有利于減少熱變形?；蛘呓Y構又有很好的對稱性，使熱傳遞經沿對稱方向，使溫度分布均勻，變形互相抵消，成為熱親和結構。

(1)預應力和熱變形。在較高速的進給系統(tǒng)中，往往采用滾珠絲杠兩端軸向固定，形成預拉伸應力。這種結構對高速進給來說，除了提高動靜態(tài)穩(wěn)定性外，對于降低熱變形誤差具有明顯作用。滾珠絲杠固定方式對進給驅動系統(tǒng)熱變形的影響如圖6所示。

在全長600mm內預拉伸35μm的軸向固定結構在不同的進給速度下溫升比較接近。兩端固定預拉伸結構的累積誤差明顯小于單端固定另一端自由伸長的結構。在兩端軸向固定預拉伸結構中，發(fā)熱引起的溫升主要是改變絲杠內部的應力狀態(tài)——由拉應力變?yōu)榱銘驂簯?。因此對位移精度影響較小。

(2)改變結構，改變熱變形方向。

采用不同滾珠絲杠軸向固定結構的數控針槽銑床Z軸主軸滑座如（圖7）。在加工中要求銑槽深度誤差≤5μm。采用絲杠下端軸向浮動結構，在加工2h內，槽深逐漸加深從0到0.045mm。反之，采用絲杠上端浮動的結構，則能確保槽深變化＜5μm。

(3)機床結構幾何形狀的對稱，可令熱變形走向一致，使刀尖點的漂移盡量減小。例如，日本安田（Yasda）精密工具公司推出的YMC430微加工中心是亞微米高速加工機床，機床的設計對熱性能進行了充分的考慮，其總體結構配置如圖8所示。

從圖中可見，首先在機床結構上采取完全對稱布局，立柱和橫梁是一體化結構，呈H型，相當于雙立柱結構，具有良好的對稱性。近似圓形的主軸滑座無論在縱向還是橫向也都是對稱的。

3個移動軸的進給驅動均采用直線電動機，結構上更加容易實現(xiàn)對稱性，2個回轉軸采用直接驅動，盡量減少機械傳動的摩擦損耗和。

4.3合理的冷卻措施

(1)加工中的冷卻液對加工精度的影響是直接的。對GRV450C型雙端面磨床進行了對比試驗，其數據見表2。試驗表明：借助制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(tǒng)的冷卻液供給方式，30min后，工件尺寸就超差。采用制冷機后，可以正常加工到70min以上。在80min時工件尺寸超差的主要原因是砂輪需修整(去除砂輪面上的金屬屑)，修整后馬上即可回復原來的加工精度。效果非常明顯。同樣，對于主軸的強迫冷卻也能期望得到非常好的效果。

(2)增