减少工艺系统热变形对加工精度的优化方法

1．减少热源的发热和隔离热源

工艺系统的热变形对粗加工加工精度的影响一般可不考虑，而精加工主要是为了保证零件加工精度，不能忽视工艺系统热变形的影响。为了减小切削热，宜采用较小的切削用量。如果粗、精加工在一个工序内完成，则粗加工的热变形将影响精加工的精度。一般可以在粗加工后停机一段时间使工艺系统冷却，同时还应将工件松开，待精加工时再夹紧。这样就可减少粗加工热变形对精加工精度的影响。当零件精度要求较高时，以粗、精加工分开为宜。

为了减少机床的热变形，凡是可能从机床分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等均应移出，使之成为独立单元。对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热，如采用静压轴承、静压导轨，改用低黏度润滑油、锂基润滑脂，或使用循环冷却润滑、油雾润滑等；也可用隔热材料将发热部件和机床大件（如床身、立柱等）隔离开。

图4-48　坐标镗床主轴箱强制冷却实验结果

1—未强制冷却；2—强制冷却

对于发热量大的热源，如果既不能从机床内部移出，又不便隔热，则可采用强制式的风冷、水冷等散热措施。例如，图4-48 所示为一台坐标镗床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的实验结果。当不采用强制冷却时，机床运转6h 后，主轴与工作台之间在垂直方向发生了190μm 的热变形，而且机床尚未达到热平衡；当采用强制冷却后，上述热变形减少为15μm，而且机床运转不到2h 就达到了热平衡。

目前，大型数控机床、加工中心机床普遍采用冷冻机对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。精密丝杠磨床的母丝杠中则通冷却液，减少热变形。

2．均衡温度场

图4-49 所示为M7150A 型磨床所采用的均衡温度场措施。该机床床身较长，加工时工作台纵向运动速度较高，所以床身上部温升高于下部。为均衡温度场所采取的措施如下：将油池移出主机做成一单独油箱；在床身下部配置热补偿油沟，使一部分带有余热的回油经热补偿油沟后送回油池。采取这些措施后，床身上、下部温差降低1～2℃，导轨的中凸量由原来的0.026 5mm 降为0.005 2mm。

图4-50 所示的立式平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以均衡立柱前后壁的温升，减小立柱的向后倾斜度。图4-50 中热空气从电动机风扇排出，通过特设的软管引向立柱的后壁空间。采取这种措施后，磨削平面的平面度误差可降到未采取措施前的1/3～1/4。

图4-49　M7150A 型磨床所采用的均衡温度场措施

1—油箱；2—油沟(www.xing528.com)

图4-50　均衡立柱前后壁的温度场

3．采用合理的机床部件结构及装配基准

（1）采用热对称结构

在变速箱中，将轴、轴承、传动齿轮等对称布置，可使箱壁温升均匀，箱体变形减小。

机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心机床为例，在热源影响下，单立柱结构会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此，双立柱结构的机床主轴相对于工作台的热变形比单立柱结构小得多。

（2）合理选择机床零部件的装配基准

图4-51 表示了车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式。由于主轴部件是车床主轴箱的主要热源，因此在图4-51a）中，主轴轴心线相对于装配基准H 而言，主要在z 方向产生热位移，对加工精度影响较小。在图4-51b）中，方向y 的受热变形直接影响刀具与工件的法向相对位置，故造成的加工误差较大。

图4-51　车床主轴箱在床身上的两种不同定位方式

4．加速达到热平衡状态

对于精密机床特别是大型机床，达到热平衡的时间较长。为了缩短这个时间，可以在加工前使机床高速空运转，或在机床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，使机床较快地达到热平衡状态，然后进行加工。

5．控制环境温度

精密机床应安装在恒温车间，其恒温精度一般控制在±1℃以内，精密级为±0.5℃。室温平均温度一般为20℃，冬季可取17℃，夏季取23℃。