机床热变形分析与防治

张仓

摘 要 机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。此外，机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。因此，要想控制热变形，必须从减少发热、控制温升、改善结构等方面着手。

关键词 热变形 分析成因 防治

中图分类号：TG502 文献标识码：A

工艺过程的自动化和精密加工的发展对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏，也使机床的精度下降。在通常情况下，为了使机床的热变形达到稳定的数值，需要花费很多时间来预热机床，这就直接影响了机床的生产率。对于数控机床来说，因为全部加工尺寸是预先编制的指令控制的，热变形的影响就更为严重。因此，认真分析机床热变形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意义。

1热变形影响加工精度

机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热、切削热以及冷却介质的影响，造成机床各部的温升不均匀，导致机床形态精度及加工精度的变化。实践证明，机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因。但机床是处在温度随时随处变化的环境中，机床本身在工作时必然会消耗能量，这些能量的相当一部分会以各种方式转化为热，引起机床各构件的物理变化，这种变化又因为结构形式的不同、材质的差异等原因而千差万别。机床设计师应掌握热的形成机理和温度分布规律，采取相应的措施，使热变形对加工精度的影响减少到最小。

2机床热变形的成因分析

在金属切削过程中，由机械能变为被切削材料的变形能，从而产生大量的热量，产生热量的大小主要取决于被切削材料的性质及切削用量的大小。切削产生的热量主要通过传热分配到刀具、工件和切屑，它们之间按照一定的比例关系分配热量。对于不同的加工种类，其切削热的计算与分配也各不相同。运动副的摩擦热和动力源的发热机床有各种运动副，如主轴部件的滚动轴承、工作台与导轨、丝杠与螺母等，运动件之间的相互运动产生摩擦力，从而引起摩擦热而形成热源。电机本身的发热和液压系统的发热，也成为机床某一部件的发热源。现代机床的传动结构，尤其是数控机床已经被大大简化，主轴部件已成为影响机床热变形的主要部分，而主轴部件的主要热源来自于主轴轴承的发热。辐射与周围环境等其它外界热源机床受到日光的照射通常是单面的或局部的，故在照射部分与未经照射的部分之间出现温度的差异，致使机床产生变形。

3机床热变形的防治措施

3.1 减少发热

机床内部发热是产生热变形的主要热源，应尽可能地将热源从主机中分离出去。对于不能与主机分离的热源，则必须改善其摩擦特性和润滑条件，以减少机床内部的发热。主轴部件是直接影响加工精度的关键部件，而主轴上的轴承又是一个很大的热源。在数控机床上除了采取精密滚动轴承和对轴承进行油雾润滑外，还可采用静压轴承。同时，在精密数控机床的主轴箱内应尽量避免使用摩擦离合器等发热元件。机床加工时所产生的切屑也是一个不可忽视的热源。产生大量切屑的数控机床应装有完善的排屑装置，以便将热量尽快带走，或者在工作台或导轨上安装隔热板，使这部分热量被隔离在机床之外。此外，在使用切削液的数控机床上，切削液冷却了刀具和工件之后，带走了切削热，当它散落在机床的各处时，也会产生局部的温升。因此，精密数控机床应控制切削液的温度，并使切削液迅速地通过最短途径从机床中排出。

3.2 改善机床的结构

在机械设计时合理地选择产生热变形部件材料的热膨胀系数、 长度、 方向、 能防止重要部件的热变，合理安排支承的位置，使产生对加工精度有直接影响的热位移的有效部分缩短。例如，在设计数控机床时要尽可能的采用双立柱结构而不是目前流行的单位柱结构。双立柱结构由于左右对称，受热后的主轴轴线除产生垂直方向的平移外，其他方向的变形很小，而垂直方向的轴线移动可以方便地用一个坐标的修正量进行补偿。此外，在设计数控机床的主轴箱时，应该尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，这样，刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小，几乎就可以忽略不计。在结构上还应当尽可能减小主轴中心与主轴箱底面的距离，以减少热变形的总量。同时，应使主轴箱的前后温升一致，避免主轴变形后出现倾斜。还要注意机床结构几何形状的对称，可令热变形走向一致，使刀尖点的漂移尽量减小。

由上述可知，控制机床热变形非常重要，能有效控制热变形的方法也很多。而且随着技术的不断发展，关于热变形的研究必将有新的突破，所以机械加工的精度会不断的提高，使我们的制造生产水平也不断提升。

参考文献

[1] 侯镇冰.机械结构热变形[M].同济大学翻印，1989.

[2] 梁允奇.机械制造中的传热与热变形基础[M].机械工业出版社，1982.