温度对数控机床加工精度有何影响？（上）

热变形是影响加工精度的原因之一。

当数控机床受到车间环境温度变化、电机发热和机械运动引起的摩擦发热以及切削热和冷却介质的影响时，都会导致数控机床各部分温度不均匀上升，导致机床的形状精度和加工精度发生变化。

例如，在普通精密数控铣床上加工70mm×1650mm的螺杆时，上午7:30-9:00铣削的工件与下午2:00-3:30加工的工件相比，累计误差变化可达85m，在恒温条件下，误差可减小到40m。又如用于厚度为0.6-3.5mm的薄钢板工件双面磨削的精密双头平面磨床，在验收时加工200mm×25mm×1.08mm的钢板工件时，可达到mm的尺寸精度，整个长度的曲率小于5m。但是，连续自动研磨1小时后，尺寸变化范围将增加到12米，冷却液温度将从启动时的17°C上升到45°C。由于磨削热的影响，主轴颈被拉长，主轴前部的轴承间隙增大。基于此，在机器的冷却液箱中加入一台5.5千瓦的冰箱将非常有效。

实践证明，数控机床受热后的变形是影响加工精度的重要原因，但机床所处的环境是温度随时变化的。机床本身在工作过程中必然会消耗能量，其中相当一部分能量会以各种方式转化为热量，引起机床各部件的物理变化。由于结构形式和材料的不同，这些变化可能会有很大的不同。机床设计人员应掌握热变形的形成机理和温度分布规律，并采取相应的措施尽量减小热变形对加工精度的影响。

机床的温升和温度分布，以及自然气候的影响

1. 自然气候影响

中国幅员辽阔，大部分地处亚热带地区。一年四季气温变化很大，一天的温差变化也不一样。因此，人们对室内（如车间）温度的干预方式和程度也不尽相同，机床周围的温度气氛也千差万别。例如，长江三角洲的季节温度范围约为45℃，昼夜温差约为5～12℃。加工车间冬季一般无暖气，夏季无空调，但只要车间通风良好，加工车间的温度梯度变化不大。东北地区季节温差可达60℃，昼夜变化约8～15℃。采暖期为10月下旬至次年4月上旬。机加工车间设计为供热，空气流通不足。车间内外温差可达50℃。因此，车间冬季的温度梯度非常复杂。上午8:15至8:35测量时，室外温度为1.5℃，车间温度变化约为3.5℃。在这样的车间中，环境温度对精密机床的加工精度影响很大。

2. 周围环境影响

机床周围环境是指机床近距离内各种布局所形成的热环境。包括以下四个方面：

1） 车间小气候

如车间内的温度分布（垂直方向、水平方向）。当昼夜变化或气候、通风变化时，车间温度变化缓慢。

2） 车间热源

如太阳辐射、采暖设备、大功率照明辐射等。当它们靠近数控机床时，会长期直接影响数控机床整体或部分的温升。相邻设备在运行过程中产生的热量会通过辐射或气流的方式影响机床的温升。

3） 散热

地基具有较好的散热性，尤其是精密机床的基础不应靠近地下供热管道。一旦管道破裂和泄漏，它可能成为热源，很难找到原因。开放式车间将是一个很好的“散热器”，有助于车间温度均衡。

4） 恒温

在车间内设置恒温设备可以有效地保持精密机床的精度和加工精度，但能耗较大。

3. 机床内部的热影响因素

1） 机床结构热源

电机发热如主轴电机、伺服进给电机、冷却润滑泵电机、电控箱等都能发热。这些条件对电机本身是允许的，但对主轴、滚珠丝杠等部件有显著的不利影响。应采取措施将其隔离。当输入的电能驱动电机运转时，除了一小部分（约20%）转化为电机热能外，大部分电能都会通过主轴转动、工作台运动等运动机构转化为动能。然而，在运动过程中，有相当一部分不可避免地转化为摩擦热。轴承、导轨、滚珠丝杠和齿轮箱等机械装置可以产生热量。

2） 加工过程中的切削热

在切削过程中，刀具或工件的部分动能被切削工作消耗。相当一部分被转化为切削变形能和切屑与刀具之间的摩擦热，在刀具、主轴和工件中产生热量，大量切屑热量被传递到机床的工作台夹具等部件。它们将直接影响刀具与工件之间的相对位置。

3） 冷却

冷却是防止机床温升的一种措施，如电机冷却、主轴部件冷却和基础设施冷却。高端数控机床往往被迫用冰箱冷却电控箱。

4. 机床结构对温升的影响

在机床热变形领域，机床的结构一般是指机床的结构形式、质量分布、材料性能和热源分布。结构形状影响机床的温度分布、热传导方向、热变形方向、机床的匹配等。

1） 机床结构形式

从总体结构上看，机床分为立式、卧式、龙门式和悬臂式，它们在热响应和稳定性上有很大差异。例如，换档车床主轴箱的温升可高达35℃。主轴端部抬起时，热平衡时间约为2h。对于斜床式精密车铣加工中心，机床底座稳定，大大提高了整机的刚度。主轴由伺服电机驱动，齿轮传动部分拆除，其温升一般小于15℃。

2） 热源分布的影响

机床通常认为热源是电机，如主轴电机、进给电机、液压系统等，但并不完全。电动机的热量只是电流负载时电枢电阻消耗的能量。相当一部分能量是由轴承、螺帽和导轨的摩擦功引起的热量消耗的。因此，电机可称为一次热源，轴承、螺母、导轨和切屑可称为二次热源。热变形是所有这些热源共同作用的结果。立柱移动式立式加工中心在Y形进给运动中的温升和变形。工作台在Y进给过程中不移动，对X方向的热变形影响不大。在立柱上，离Y轴导向螺杆越远，温升越小。进一步分析了Z轴运动时机床的情况，说明了热源分布对热变形的影响。Z轴进给距离X方向较远，对热变形影响较小。立柱越靠近Z轴电机螺母，温升和变形越大。

3） 质量分布的影响 

质量分布对机床热变形的影响有三个方面。首先，它是指质量的大小和浓度，通常是指改变热容和传热速度，并改变达到热平衡的时间。第二，通过改变排版质量，如排版各种排骨。在相同温升下，提高结构的热刚度，减小热变形的影响或保持相对变形较小。三是通过改变质量布置形式，如在结构外布置散热肋，降低机床部件的温升。

4）材料性能的影响

不同的材料具有不同的热性能参数（比热、导热系数和线膨胀系数）。在同一热量的作用下，它们的温升和变形是不同的。