影響機床加工精度的原因之熱變形_銑端面打中心孔機床,數控銑打機,平頭打孔專用機床廠家|山東友泰

熱變形(xíng)是影響(xiǎng)機床加(jiā)工精度(du)的原因(yīn)之一。機(jī)床受到(dao)車間環(huán)境溫度(dù)變化、電(dian)動機發(fa)熱和機(jī)械運動(dòng)摩擦發(fā)熱、切削(xue)熱以及(jí)冷卻介(jiè)質的影(ying)響，會導(dǎo)緻機床(chuang)各部的(de)🌍溫升不(bú)均勻，導(dǎo)緻機床(chuáng)形态精(jing)度及加(jiā)工精🌈度(dù)的變化(hua)。比如，在(zài)一台普(pu)通精度(du)的數控(kong)銑床上(shang)加工70mm×1650mm的(de)螺杆，上(shàng)午7:30-9:00銑削(xuē)的工件(jiàn)與下午(wǔ)2:00-3:30加工的(de)工件相(xiàng)比，累積(ji)誤差的(de)變化可(ke)達85m。而在(zài)恒溫的(de)條件下(xià)，誤差可(ke)以減小(xiao)到40m。

　　再比(bǐ)如，一台(tai)用于雙(shuang)端面磨(mo)削0.6～3.5mm厚的(de)薄鋼片(piàn)工件的(de)精🔞密雙(shuang)端面⭕磨(mó)床，在驗(yàn)收時加(jiā)工200mm×25mm×1.08mm鋼片(pian)工件能(neng)達到🤞mm的(de)尺寸精(jing)🔞度，彎曲(qu)度🌍在全(quan)長内小(xiǎo)于5m。但連(lián)續自動(dong)磨削1h後(hou)，尺🏃‍♀️寸變(biàn)化☀️範圍(wei)增大至(zhì)12m，冷卻液(yè)溫度由(yóu)開機時(shí)的17℃上升(sheng)到♋45℃。由于(yú)磨削熱(rè)的影響(xiang)，導緻主(zhǔ)軸軸頸(jing)伸長，主(zhu)軸前軸(zhóu)承間隙(xì)增大。據(ju)此，為該(gāi)機床🧑🏾‍🤝‍🧑🏼冷(lěng)卻液箱(xiang)添加一(yī)台5.5kW制冷(lěng)機，效果(guǒ)十分理(lǐ)想。實踐(jian)證明，機(jī)床受熱(re)後的變(biàn)形是影(ying)響加工(gong)精度的(de)重要原(yuán)因。但機(jī)床是處(chu)在溫度(dù)随時随(suí)處👅變化(hua)的環境(jing)中；機床(chuáng)本身在(zài)工作時(shí)必然會(huì)消耗能(néng)量，這些(xiē)能量的(de)相當一(yī)部分會(hui)🆚以各種(zhǒng)方式轉(zhuǎn)化為熱(rè)，引起機(ji)床各構(gou)件的物(wù)理變化(hua)，這種變(bian)化又因(yin)為結構(gòu)形式的(de)不同，材(cái)質的差(cha)異等原(yuán)因而千(qiān)差萬别(bié)。機床設(shè)計🔆師應(ying)掌握熱(re)的形成(cheng)機理和(he)溫度分(fèn)布規律(lü)，采取相(xiàng)應💋的措(cuò)施，使熱(rè)變形對(dui)加工精(jing)度的影(ying)響🆚縮減(jian)到最低(dī)。

　　我們國(guó)家幅員(yuán)遼闊，大(dà)部分地(di)區處于(yu)亞熱帶(dai)地區，一(yī)年四季(jì)的溫度(dù)變化較(jiao)大，一天(tian)内溫差(chà)變化也(ye)不一樣(yang)。因此，人(rén)們🐆對室(shi)内(如♌車(che)間)溫度(dù)的幹預(yù)的方式(shi)和程度(dù)也不同(tóng)，機床周(zhōu)圍的溫(wen)度氛圍(wéi)千差萬(wan)别。舉個(gè)例子，長(zhang)三角地(dì)區季節(jiē)溫度變(bian)化範圍(wei)約45℃左右(yòu)，晝🛀🏻夜溫(wēn)度變化(huà)約5～12℃。機加(jia)工車🙇‍♀️間(jiān)一般冬(dōng)天無供(gòng)熱，夏天(tiān)無空調(diao)，但隻🔴要(yao)🔴車間通(tōng)風較好(hǎo)🤞，機加工(gōng)車間的(de)溫度梯(tī)度變化(huà)不大。而(er)東北地(di)區，季節(jie)溫差可(kě)達60℃，晝夜(ye)變化約(yue)8～15℃。每年10月(yue)下旬至(zhi)次年4月(yue)初為供(gòng)暖期，機(jī)加工車(che)間的設(she)計♌有供(gong)暖，空氣(qì)流通不(bu)足。車間(jiān)内外溫(wen)✨差可達(da)50℃。因此車(chē)間内冬(dōng)季的溫(wēn)度梯度(du)十分複(fú)雜，測量(liàng)時室外(wài)溫度1.5℃，時(shí)間為上(shang)午8:15-8:35，車間(jian)内溫度(du)變化約(yue)3.5℃。精密機(ji)床的加(jia)工精度(dù)在這樣(yàng)的車間(jian)内受環(huan)境溫度(dù)影響将(jiāng)是很大(da)🌈的。

　　究竟(jìng)是哪些(xie)原因，影(ying)響着機(jī)床近距(jù)離範圍(wei)内各種(zhong)布局形(xing)成的熱(re)環境呢(ne)？

　　主要包(bāo)括以下(xià)4個方面(miàn)：

　　1)車間小(xiao)氣候：如(ru)車間内(nei)溫度的(de)分布(垂(chuí)直方向(xiàng)、水平方(fāng)向)。當晝(zhou)夜⛹🏻‍♀️交替(ti)或氣候(hòu)以及通(tong)風變化(hua)時車間(jian)溫🎯度均(jun1)👣會産❓生(sheng)緩慢變(biàn)化。

　　2)車間(jian)熱源：如(rú)太陽照(zhao)射、供暖(nuǎn)設備和(hé)大功率(lǜ)照明燈(deng)的輻✌️射(she)等🍓，它們(men)離機床(chuáng)較近時(shi)可直接(jie)長時間(jian)影響機(jī)床整體(tǐ)或部分(fen)部件的(de)溫升。相(xiang)鄰設備(bèi)在運行(hang)時🌈産生(shēng)的熱量(liang)會以幅(fu)射👉或空(kong)氣流動(dong)的方式(shi)影響機(jī)床溫升(shēng)。

　　3)散熱：地(dì)基有較(jiào)好的散(sàn)熱作用(yong)，尤其是(shì)精密機(jī)床的地(di)基♈切忌(jì)♈靠近地(di)下供熱(rè)管道，一(yī)旦破裂(liè)洩漏時(shi)，可能成(chéng)為一個(gè)難以找(zhǎo)到原因(yīn)的熱源(yuan)；敞開的(de)車間将(jiāng)💃🏻是一個(ge)很好的(de)⭐“散熱器(qi)”，有利于(yú)車間溫(wēn)度均衡(heng)。

　　4)恒溫：車(che)間采取(qǔ)恒溫設(she)施對精(jing)密機床(chuáng)保持精(jīng)度和加(jia)工精🌈度(dù)是很有(you)效果的(de)，但能耗(hao)較大。

　　機(jī)床内部(bu)熱影響(xiang)因素

　　1)機(jī)床結構(gou)性熱源(yuan)。電動機(jī)發熱如(rú)主軸電(dian)動機、進(jìn)給伺服(fú)電動機(ji)、冷卻潤(rùn)滑泵電(diàn)動機、電(diàn)控箱等(deng)均可産(chan)生熱量(liàng)。這些情(qing)況對電(dian)動🆚機本(běn)身來說(shuo)是允許(xǔ)的，但對(duì)于主軸(zhou)、滾珠♈絲(sī)杠等元(yuán)器件⭐則(ze)有重大(da)不利影(ying)響，應采(cai)取措施(shī)予以隔(ge)離。當輸(shū)入電能(neng)驅動電(dian)動機運(yun)轉時，除(chú)了少🔴部(bu)分(約20%左(zuǒ)右)轉化(huà)為電動(dong)機熱能(neng)外，大部(bù)分将由(you)運動機(ji)構轉化(huà)為動能(neng)，如主軸(zhóu)旋轉、工(gong)作🔆台運(yun)動等💘；但(dàn)不可避(bi)免的♌仍(reng)有相當(dāng)部分在(zai)運動過(guo)程中轉(zhuan)化為摩(mó)擦發熱(re)，例如軸(zhou)承、導軌(guǐ)✏️、滾👌珠絲(sī)杠和傳(chuan)動箱等(děng)機構發(fā)熱。

　　2)工藝(yi)過程的(de)切削熱(rè)。切削過(guo)程中刀(dao)具或工(gong)件的動(dong)能一部(bù)分消🛀耗(hao)于切削(xuē)功，相當(dang)一部分(fen)則轉化(hua)切削🤞的(de)變形能(néng)和切屑(xiè)與刀具(ju)間的摩(mó)擦熱，形(xing)成刀具(jù)、主軸和(he)工🏃🏻件發(fā)熱，并由(yóu)大量切(qiē)屑熱傳(chuan)導✉️給機(jī)床的工(gong)作台夾(jiá)具等部(bù)件。它們(men)将直接(jie)🔞影響刀(dao)具和工(gong)件間的(de)相對位(wei)置。

　　3)冷卻(què)。冷卻是(shi)針對機(jī)床溫度(du)升高的(de)反向措(cuo)施，如電(diàn)動機冷(lěng)卻、主軸(zhóu)部件冷(leng)卻以及(ji)基礎結(jie)構件冷(leng)卻等。高(gao)端機床(chuang)往往對(dui)電控箱(xiāng)配制冷(lěng)機，予以(yi)強迫冷(lěng)卻。

　　機床(chuang)的結構(gòu)形态對(dui)溫升的(de)影響在(zai)機床熱(re)變形領(ling)域讨論(lùn)機🏃🏻‍♂️床結(jie)構形态(tai)，通常指(zhǐ)結構形(xing)式、質量(liàng)分布、材(cái)料性能(neng)和熱源(yuán)分☁️布等(deng)💁問題。結(jie)構形态(tai)影響機(ji)床的溫(wen)度分布(bu)、熱量的(de)傳導方(fang)向、熱變(biàn)形方向(xiàng)及匹配(pei)等。

　　1)機床(chuáng)的結構(gòu)形态。在(zai)總體結(jié)構方面(mian)，機床有(you)立式、卧(wo)式、龍門(mén)式和♊懸(xuan)臂式等(děng)，對于熱(re)的響應(yīng)和穩定(ding)性均🍓有(you)較大差(chà)異。例如(ru)齒輪變(bian)速的車(chē)床主軸(zhóu)箱的溫(wen)升可高(gao)達35℃，使主(zhǔ)軸端上(shang)擡🔱，熱平(ping)衡時間(jiān)需2h左右(you)。而斜床(chuang)身式精(jīng)密車銑(xi)加工中(zhōng)心，機床(chuang)有一個(gè)穩定的(de)底座。明(ming)顯提高(gao)了🔞整機(jī)剛度，主(zhǔ)⛷️軸采用(yong)伺服電(dian)動機驅(qū)動，去除(chu)了齒輪(lún)傳動部(bù)分，其溫(wēn)升⚽一般(ban)小于15℃。

　　2)熱(rè)源分布(bù)的影響(xiang)。機床上(shàng)通常認(ren)為熱源(yuán)是指電(diàn)動機。如(rú)主軸電(dian)動機、進(jìn)給電動(dòng)機和液(yè)壓系統(tǒng)等，其實(shí)🛀🏻是不完(wán)全的。電(dian)動機的(de)發熱隻(zhī)是在承(cheng)擔負荷(he)時，電流(liu)消耗在(zài)電樞阻(zu)抗上的(de)能量，另(lìng)有相㊙️當(dang)一部分(fèn)能量消(xiao)耗于軸(zhou)承、絲杠(gàng)螺母和(he)導軌等(děng)機構🥰的(de)摩擦功(gōng)🛀🏻引起的(de)發熱。所(suǒ)以可把(bǎ)電動機(jī)稱為一(yī)次熱源(yuan)，将軸🤩承(cheng)、螺母、導(dao)軌和切(qiē)屑稱之(zhi)為二次(ci)熱源。熱(rè)變形則(zé)是所有(yǒu)這些熱(re)源綜合(he)影響的(de)結果。一(yī)台立柱(zhù)移動式(shi)立式加(jia)工中心(xīn)在Y向進(jin)給運動(dòng)中溫升(sheng)和📱變形(xíng)情況。Y向(xiàng)進給時(shí)工作台(tai)未作‼️運(yùn)動，所以(yǐ)對X向的(de)熱變形(xíng)影響很(hěn)小。在立(lì)柱上🈲，離(li)Y軸的導(dao)軌絲杠(gang)越遠的(de)點，其溫(wen)升越小(xiǎo)。該機在(zai)Z軸移動(dòng)時的情(qing)況則更(geng)進一步(bu)說明了(le)熱源分(fèn)布對熱(re)變形的(de)影響。Z軸(zhóu)進給離(lí)X向更遠(yuan)，故熱變(bian)形影響(xiang)更小，立(lì)柱上離(li)Z軸電動(dòng)機螺母(mu)越近，溫(wēn)升及變(bian)形也越(yue)大。

　　3)質量(liang)分布的(de)影響。質(zhì)量分布(bù)對機床(chuang)熱變形(xíng)的影響(xiǎng)有三方(fāng)面。其一(yī)，指質量(liang)大小與(yu)集中程(cheng)度，通常(cháng)指改變(biàn)熱容量(liàng)和熱傳(chuan)遞的速(sù)度，改變(bian)達到熱(re)平衡的(de)時間

　　其(qi)二，通過(guò)改變質(zhì)量的布(bu)置形式(shi)，如各種(zhong)筋闆的(de)布置，提(tí)😘高結構(gòu)的熱剛(gang)度，在同(tong)樣溫升(shēng)的情況(kuàng)下，減小(xiǎo)熱變形(xíng)影響或(huò)保持🐆相(xiàng)對變形(xing)較小；

　　其(qí)三，則指(zhi)通過改(gai)變質量(liàng)布置的(de)形式，如(rú)在結構(gòu)外部布(bu)置散🔴熱(re)筋闆，以(yi)降低機(jī)床部件(jiàn)的溫升(sheng)。

　　材料性(xing)能的影(ying)響：不同(tóng)的材料(liao)有不同(tong)的熱性(xing)能參數(shù)(比熱、導(dǎo)熱率和(he)線膨脹(zhàng)系數)，在(zai)同樣熱(rè)量的影(ying)響🆚下，其(qí)溫升、變(biàn)形均有(yǒu)不同。

　　機(ji)床熱性(xing)能的測(cè)試

　　1、機床(chuáng)熱性能(neng)測試的(de)目的控(kòng)制機床(chuáng)熱變形(xíng)的關鍵(jiàn)是通🈲過(guo)熱特性(xìng)測試，充(chōng)分了解(jiě)機床所(suǒ)處的環(huan)境溫度(du)的變化(hua)😍，機床本(ben)身熱源(yuan)及溫度(dù)變化以(yi)及關鍵(jian)點的響(xiǎng)應(變形(xing)位🏒移)。測(ce)試數據(ju)或曲線(xiàn)描述一(yī)台機床(chuang)💯熱特性(xing)，以便采(cǎi)取對策(cè)，控制熱(rè)變形，提(ti)高機床(chuáng)的加㊙️工(gōng)精度和(hé)效‼️率。

　　2、機(jī)床熱變(bian)形測試(shì)的原理(lǐ)熱變形(xíng)測試首(shou)先需要(yào)測量若(ruò)幹相關(guan)✂️點的溫(wen)度，包含(hán)以下幾(ji)方面：

　　2)輔(fu)助裝置(zhì)：包括液(yè)壓系統(tǒng)、制冷機(ji)、冷卻和(hé)潤滑位(wei)移檢❄️測(cè)系統。

　　3)機(ji)械結構(gòu)：包括床(chuáng)身、底座(zuo)、滑闆、立(lì)柱和銑(xi)頭箱體(tǐ)和📧主軸(zhou)。在主軸(zhóu)☔和回轉(zhuǎn)工作台(tái)之間夾(jiá)持有铟(yīn)鋼測棒(bàng)，在X、Y、Z方向(xiang)配置了(le)5個接觸(chu)式傳感(gan)器，測量(liàng)在各種(zhong)狀态下(xia)的綜合(he)變形，以(yǐ)模拟刀(dāo)具和工(gong)件間的(de)相對位(wei)移。

　　3、測試(shì)數據處(chù)理分析(xi)機床熱(re)變形試(shì)驗要在(zai)一個較(jiao)長♌的㊙️連(lián)💘續時🍉間(jiān)内進行(hang)，進行連(lian)續的數(shu)據記錄(lu)，經過分(fèn)析處理(lǐ)，所反映(yìng)的㊙️熱變(bian)形特性(xìng)可靠性(xìng)很高。如(ru)果通過(guò)多次試(shì)驗進行(háng)誤差剔(tī)除🏃‍♂️，則所(suǒ)顯示的(de)規律性(xing)是可信(xin)的。主軸(zhóu)系統熱(rè)變形試(shì)驗中共(gòng)設置了(le)5個測⁉️量(liàng)點，其中(zhōng)點1、點2在(zai)主軸端(duān)部和靠(kào)近主軸(zhou)軸承處(chu)，點🈚4、點5分(fen)别在銑(xǐ)頭殼體(tǐ)靠近Z向(xiang)導軌處(chù)。測試時(shí)間❌共持(chi)續了14h，其(qí)中前10h主(zhu)軸👨‍❤️‍👨轉速(sù)分别在(zai)0～9000r/min範圍内(nèi)交替變(bian)速，從第(di)10h開始，主(zhǔ)軸持續(xu)以9000r/min高速(sù)旋轉。

　　因(yīn)此，我們(men)可以得(dé)出以下(xia)結論：

　　2)溫(wēn)升主要(yào)來源于(yu)主軸軸(zhou)承和主(zhu)軸電動(dong)機，在正(zheng)常變速(sù)範圍内(nèi)，軸承的(de)熱态性(xing)能良好(hao)；

　　3)熱變形(xing)在X向影(ying)響很小(xiǎo)；

　　4)Z向伸縮(suō)變形較(jiào)大，約10m，是(shi)由主軸(zhou)的熱伸(shēn)長及軸(zhou)承間隙(xì)增🐪大引(yin)起的；

　　5)當(dāng)轉速持(chí)續在9000r/min時(shi)，溫升急(jí)劇上升(shēng)，在2.5h内急(jí)升7℃左右(yòu)，且有繼(jì)續上升(sheng)的趨勢(shì)，Y向和Z向(xiang)的變形(xíng)達到了(le)29m和37m，說明(ming)該主軸(zhou)在轉速(su)為9000r/min時🌈已(yǐ)不能穩(wen)定運行(hang)，但可以(yi)短時間(jian)内(20min)運行(hang)。機床熱(rè)變形⚽的(de)控制由(yóu)以上分(fèn)析讨論(lùn)，機床的(de)溫升和(he)熱變形(xíng)對加工(gōng)精度的(de)影響因(yīn)素多種(zhong)😍多樣，采(cǎi)取控制(zhi)措施時(shí)，應抓住(zhu)主要矛(mao)盾，重點(dian)采取一(yi)、二項措(cuò)施，取得(dé)事半功(gōng)倍的效(xiào)果。在設(she)計中應(ying)從4個方(fāng)向入手(shǒu)：減少發(fa)熱，降低(di)溫升，結(jié)構平衡(heng)，合理冷(leng)卻。

影(yǐng)響機床(chuang)加工精(jīng)度的原(yuan)因之熱(rè)變形