昆山數(shù)控機床的熱變形原因及解決措施

   工藝過程的自動化和精密加工的發(fā)展對機床的加工精度和精度穩(wěn)定性提出了越來越高的要求。機床在內外熱源的影響下，各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，使工件與刀具之間的相對運動關系遭到破壞，也使機床的精度下降。在通常情況下，為了使機床的熱變形達到穩(wěn)定的數(shù)值，需要花費很多時間來預熱機床，這就直接影響了機床的生產率。對于數(shù)控機床來說，因為全部加工尺寸是預先編制的指令控制的，熱變形的影響就更為嚴重。因此，認真分析數(shù)控機床熱變形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意義。

　　一、數(shù)控機床的熱變形成因分析

　　機床產生熱變形的主要原因是熱源及機床各部分的溫差。熱源通常包括加工中的切削熱、運動副的摩擦熱和動力源的發(fā)熱以及輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源等。此外，機床零件的材料、結構、形狀和尺寸的不一致也是產生熱變形的重要因素。

　　(一)切削熱

　　在金屬切削過程中，由機械能變?yōu)楸磺邢鞑牧系淖冃文?，從而產生大量的熱量，產生熱量的大小主要取決于被切削材料的性質及切削用量的大小。切削產生的熱量主要通過傳熱分配到刀具、工件和切屑，它們之間按照一定的比例關系分配熱量。對于不同的加工種類，其切削熱的計算與分配也各不相同?！?/p>

　　在車削加工中，大量的熱量被切屑帶走，傳給工件的熱量次之，一般在30%以下，而傳給刀具的熱量又次之，一般不大于5%；對于銑削和刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下；在不加冷卻液切削時，大量的切屑落在機床床身和工作臺上，它對床身和工作臺熱變形的影響是顯而易見的。但大量的切屑只有粗加工時才有，而機床熱變形對粗加工精度的影響則一般可以忽略；對于精加工，由于走刀量和切削深度一般比較小，故切屑帶走的熱量也比較小，它們所引起床身和工作臺的熱變形也相對比較小，是否需要考慮，要看具體情況而定。但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一臺機床上進行加工，對工作臺熱變形的影響，就應予以注意。　

　　(二)運動副的摩擦熱和動力源的發(fā)熱　

　　機床有各種運動副，如主軸部件的滾動軸承、工作臺與導軌、絲杠與螺母等，運動件之間的相互運動產生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源。電機本身的發(fā)熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱，也成為機床某一部件的發(fā)熱源?，F(xiàn)代機床的傳動結構，尤其是數(shù)控機床已經被大大簡化，主軸部件已成為影響機床熱變形的主要部分，而主軸部件的主要熱源來自于主軸軸承的發(fā)熱?！?/p>

　　(三)輻射與周圍環(huán)境等其它外界熱源　　

　　機床受到日光的照射通常是單面的或局部的，故在照射部分與未經照射的部分之間出現(xiàn)溫度的差異，致使機床產生變形。周圍環(huán)境的溫度，則隨氣溫及晝夜溫度的變化而變化，通過空氣對流使機床及工件的溫度也發(fā)生變化，不僅對機床的精度有一定的影響，而且影響零件的加工精度。例如，在精滾大直徑的斜齒輪時，要經幾晝夜的連續(xù)加工，晝夜溫差將引起齒輪齒表面的波紋度誤差。

　　　二、減少數(shù)控機床熱變形的措施研究　

　　前面分析了數(shù)控機床熱變形的產生原因主要是三大熱源，因此，要減少數(shù)控機床的熱變形，就要采取減少發(fā)熱、控制溫升以及改善機床結構、進行熱補償?shù)却胧！?/p>

　　(一)減少發(fā)熱　

　　機床內部發(fā)熱是產生熱變形的主要熱源，應盡可能地將熱源從主機中分離出去，比如將電動機、變速箱、液壓裝置以及油箱等外置。對于不能與主機分離的熱源，如主軸軸承、絲桿螺母副、高速運動導軌副等，則必須改善其摩擦特性和潤滑條件，以減少機床內部的發(fā)熱?！?/p>

　　主軸部件是直接影響加工精度的關鍵部件，而主軸上的軸承又是一個很大的熱源。在數(shù)控機床上除了采取精密滾動軸承和對軸承進行油霧潤滑外，還可采用靜壓軸承。同時，在精密數(shù)控機床的主軸箱內應盡量避免使用摩擦離合器等發(fā)熱元件?！　?/p>

　　機床加工時所產生的切屑也是一個不可忽視的熱源。產生大量切屑的數(shù)控機床應裝有完善的排屑裝置，以便將熱量盡快帶走，或者在工作臺或導軌上安裝隔熱板，使這部分熱量被隔離在機床之外。此外，在使用切削液的數(shù)控機床上，切削液冷卻了刀具和工件之后，帶走了切削熱，當它散落在機床的各處時，也會產生局部的溫升。因此，精密數(shù)控機床應控制切削液的溫度，并使切削液迅速地通過最短途徑從機床中排出。

　　　　(二)控制溫升　　

　　除了采取上述措施來減少發(fā)熱外，還必須通過良好的散熱和冷卻來控制溫升，以減少熱源的影響，比如在機床的發(fā)熱部位進行強制冷卻。目前對于多坐標軸的數(shù)控機床，由于它在幾個方向上都有要求很高的精度，因而很難采用補償?shù)姆椒▉頊p少熱變形的影響。對于這類數(shù)控機床，采用制冷系統(tǒng)對潤滑液進行強制冷卻的方法可以收到良好的效果。但是需要注意，制冷系統(tǒng)的冷卻能力必須適當，如果吸熱量大于機床內部熱源的發(fā)熱量，那么，這勢必會使機床的溫度低于環(huán)境溫度，不僅引起收縮，而且潮濕空氣會將冷凝在機床表面上而使機床生銹。　

　　除了采用強制冷卻之外，也可以在數(shù)控機床低溫部分通過加熱的方法，使機床各點的溫度趨于一致，這樣可以保持溫度場的均勻，減少由于溫差造成的翹曲變形，比如某些較大型的數(shù)控機床設有加熱設備，在加工之前通過縮短機床的預熱時間，以提高機床的實際生產率。

　　(三)改善數(shù)控機床的結構　

　　在同樣發(fā)熱條件下，不同的機床結構對熱變形的影響也不一樣，故而改善數(shù)控機床的結構，可以有效地控制數(shù)控機床的熱變形。因此，在設計數(shù)控機床時要盡可能的采用雙立柱結構而不是目前流行的單位柱結構。雙立柱結構由于左右對稱，受熱后的主軸軸線除產生垂直方向的平移外，其他方向的變形很小，而垂直方向的軸線移動可以方便地用一個坐標的修正量進行補償。此外，在設計數(shù)控機床的主軸箱時，應該盡量使主軸的熱變形發(fā)生在刀具切入的垂直方向上，這樣，刀尖沿工件切向的偏移對工件徑向尺寸的變化影響極小，幾乎就可以忽略不計。在結構上還應當盡可能減小主軸中心與主軸箱底面的距離，以減少熱變形的總量。同時，應使主軸箱的前后溫升一致，避免主軸變形后出現(xiàn)傾斜?！?/p>

　　三、結語

　　綜上所述，減少機床熱變形至關重要，己越來越引起人們的重視，方法繁多。隨著技術的不斷發(fā)展，關于熱變形的研究必將有新的突破，可以預見隨著熱變形研究的進一步深入，機械加工的精度必將會更上一個臺階。