數(shù)控機床熱變形控制：機理、技術與精度保持策略

在數(shù)控機床加工過程中，熱變形是影響加工精度的主要因素。研究表明，精密零件加工誤差的40%-70%是由熱引起的。隨著現(xiàn)代制造業(yè)對加工精度要求不斷提高，有效控制數(shù)控機床熱變形已成為提升產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵。本文將系統(tǒng)解析數(shù)控機床熱變形的產(chǎn)生機理、影響因素及精度保持方法。

一、數(shù)控機床熱變形的產(chǎn)生機理與影響程度

數(shù)控機床熱變形是指機床因各部位溫升差異及材料熱膨脹系數(shù)不同，導致構(gòu)件產(chǎn)生形變的現(xiàn)象。其產(chǎn)生機理主要源于機床在加工過程中由于電氣發(fā)熱和運轉(zhuǎn)部件的摩擦發(fā)熱引起的局部結(jié)構(gòu)變形，導致機床執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)生熱誤差。

熱變形對加工精度的影響極為顯著。例如，在一臺普通精度的數(shù)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。

熱誤差主要表現(xiàn)為主軸軸向偏移或徑向偏移，誤差可達0.01mm以上，在批量加工中易造成尺寸超差。例如，一臺用于雙端面磨削工件的精密雙端面磨床，在連續(xù)自動磨削1小時后，尺寸變化范圍可從初始的mm級增大到12μm。

二、主要熱源分類及其特性分析

數(shù)控機床的熱源可分為內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類。

內(nèi)部熱源

切削熱是金屬切削過程中由機械能變?yōu)楸磺邢鞑牧系淖冃文芏a(chǎn)生的大量熱量。在車削加工中，大量的熱量被切屑帶走（約70%以上），傳給工件的熱量一般在30%以下，而傳給刀具的熱量一般不大于5%。

運動副的摩擦熱來源于機床各種運動副，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(chǎn)生摩擦力，從而引起摩擦熱而形成熱源?，F(xiàn)代機床傳動結(jié)構(gòu)中，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。

動力源發(fā)熱包括主軸電機、進給伺服電機和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱。這些熱源會使機床產(chǎn)生局部溫升，導致機床熱變形。

外部熱源

環(huán)境溫度波動對機床精度影響顯著。我國幅員遼闊，大部分地區(qū)季節(jié)溫度變化較大，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℃。這種溫度變化會導致機床坐標系原點漂移，影響加工精度。

輻射熱如日光照射通常是單面的或局部的，會使照射部分與未經(jīng)照射部分之間出現(xiàn)溫度差異，致使機床產(chǎn)生變形。