数控机床的热变形及减少机床的热变形的措施

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由预先编制的指令控制的，热变形的影响就更为严重。

机床产生热变形的原因主要是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切屑、运转的电动机、液压系统、传动件的摩擦以及机床外部的热辐射等。除了热源及温差以外，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。

机床各部位热变形对加工精度的影响可以用图7—6来说明。图中的实线表示机床冷态时刀具和工件的相对位置。当机床运行了一段时间后，主轴箱内的传动件所产生的热量使立柱向上变形，产生了偏差△Y_l(如图7—6a所示)；在液压油泵及其他传动元件发热的影响下，床身沿纵向产生中间凸起的变形(如图7—6b所示)，而且由于床身纵向的伸长使支承丝杠的轴承向左移动，又产生了偏差△X(如图7—6c所示)；除此之外；还由于电动机所产生热量，使立柱倾斜，造成了偏差△Y₂(如图7—6d所示)。综合这一系列的变形使被加工孔的坐标精度和轴线的垂直度受到了影响。

图7—6  机床各部位热变形对加工精度的影响

为了减少数控机床的热变形，在设计时应采取以下的措施。

1．减少发热

机床内部发热是产生热变形的主要热源，应当尽可能地将热源从主机中分离出去。目前，大多数数控机床的电动机、变速箱、液压装置及油箱等都已外置。对于不能与主机分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副等，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，而主轴上的轴承通常又是一个很大的内部热源。在数控机床上除了采用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，这些措施都有利于降低主轴的温升。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必须带有完善的排屑装置，以便将热量尽快带走。也可以在工作台或导轨上装设隔热板，使这部分热量被隔离在机床之外。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。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。

润滑油在传动件之间流过，带走摩擦热，使润滑油池的温度逐渐升高，成为一个次生热源。因此，在一些精密数控机床中已把润滑油池移出机床，当然也可以对油池进行温度控制。

液压传动系统及其油池是机床上的又一次生热源。除了尽可能将此油池移出机床之外，油泵的供油量必须选择得适当，否则大量多余的油液流经溢液阀，既浪费了能源又产生很大的热量。所以对于需要经常变化供油量的液压系统，应尽量采用变量泵。

2．控制温升

在采取了一系列减少热源的措施之后，热变形的情况将有所改善，但要完全消除机床的内外热源通常是十分困难的，甚至是不可能的，所以必须通过良好的散热和冷却来控制温升，以减少热源的影响。比较有效的方法是在机床的发热部位进行强制冷却。目前对于多坐标轴的数控机床，由于它在几个方向上都要求很高的精度，因此很难用补偿的方法来减少热变形的影响。对于这类机床，采用制冷系统对润滑液进行强制冷却的方法可以收到良好的效果。但制冷系统的冷却能力必须适当，如果吸热量大于机床内部热源的发热能力，将会使机床的温度低于环境温度，不仅引起收缩，而且湿空气将会冷凝在机床表面上而使机床生锈。

除了采用强制冷却之外，也可以在机床低温部分通过加热的方法，使机床各点的温度趋于一致，这样可以保持温度场的均匀，减少由于温差造成的翘曲变形。某些较大型的数控机床设有加热器，在加工之前通过加热来缩短机床的预热时间，以提高机床的实际生产率。

3．改善机床结构

在同样发热的条件下，机床结构对热变形也有很大影响。目前，根据热对称原则设计的数控机床取得了较好的效果。因此，数控机床过去采用的单立柱结构有可能被双立柱结构所代替。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。

对于数控车床的主轴箱，应尽量使主轴的热变形发生在刀具切入的垂直方向上，如图

7—7所示。这是因为刀尖沿工件切向的偏移对工件径向尺寸的变化影响极小，几乎可以忽略。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(如图中的尺寸")，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。

图7—7  数控车床热变形方向与切入方向垂直

数控机床中的滚珠丝杠是在预加载荷大、转速高及散热差的条件下运行的，因此丝杠极容易发热。滚珠丝杠的热伸长所造成的后果是严重的，尤其是在开环系统中，它将会使进给系统丧失定位精度。目前，某些机床用预拉的方法来减少丝杠的热变形。该方法是在加工滚珠丝杠时，使螺距略小于名义值，装配时对丝杠进行预拉伸，使其螺距达到名义值。当丝杠工作而受热，丝杠中的拉应力补偿了热应力，既减少了热伸长的影响，又提高了丝杠的刚度。

对于采取了上述措施仍不能消除的热变形，可以根据测量的结果，由数控系统发出补偿脉冲加以修正。例如在主轴箱上测量出主轴轴承前端的热位移，然后由数控装置进行补偿。

另外，也可以采用特殊的调节元件来消除热位移。图7—8是数控六角车床刀架消除热位移的实例。热调整油缸由刀杆和套筒组成，套筒的材料为热膨胀系数很小的铟钢，刀杆和套筒的一端固定连接，另一端可以相对移动。当机床发热使主轴位置偏移时，变速箱中的润滑油也被加热，并流经热调整油缸，使刀杆受热伸长，沿着主轴热变形的相反方向进行自动补偿。图中的虚线和实线分别表示补偿前后的热变形量，由图可见，经过补偿的热变形量显著减小。该设计的本身只是解决了一个具体的热变形问题，但设计者创新的意识值得借鉴。