机床热变形：机理、测量和控制张曙 张炳生 卫美红1 热变形是影响加工精度的原因之一 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。例如，在一台普通精度的数控铣床上加工 φ70 mm× 1 650 mm 的螺杆，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，累积误差的变化可达 85 μm。而在恒温条件下，则误差可减小至 40 μm。 再如，一台用于双端面磨削 0.6～3.5 mm 厚的薄钢片工件的精密双端面磨床，在验收时加工 200 mm×25 mm ×1.08 mm 钢片工件能达到 mm 的尺寸精度，弯曲度在全长内小于 5 μm。但连续自动磨削 1 h 后，尺寸变化范围增大到 12 μm，冷却液温度由开机时的 17 ℃上升到 45 ℃。由于磨削热的影响，导致主轴轴颈伸长，主轴前轴承间隙增大。据此，为该机床冷却液箱添加一台 5.5 kW 制冷机，效果十分理想。 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定会消耗能量，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，实行相应的措施，使热变形对加工精度的影响减少到最小。2 机床的温升及温度分布2.1 自然气候影响 我国幅员辽阔，大部分地区处于亚热带地区，一年四季的温度变化较大，一天内温差变化也不一样。由此，人们对室内(如车间)温度的干预的方式和程度也不同，机床周围的温度氛围千差万别。例如，长三角地区季节温度变化范围约 45 ℃左右，昼夜温度变化约5～12 ℃。机加工车间一般冬天无供热，夏天无空调，但只要车间通风较好，机加工车间的温度梯度变化不大。而东北地区，季节温差可达 60 ℃，昼夜变化约 8～15 ℃。每年10 月下旬至次年 4 月初为供暖期，机加工车间的设计有供暖，空气流通不足。车间内外温差可达 50 ℃。因此车间内冬季的温度梯度十分复杂，测量时室外温度 1.5 ℃，时间为上午 8:15-8:35，车间内温度变化约 3.5 ℃，结果如图 1 所示。精密机床的加工精度在这样的车间内受环境温度影响将是很大的。2.2 周围环境的影响 机床周围环境是指机床近距离范围内各种布局形成的热环境。它们包括以下 3 个方面。 图 1...
