熱變形是影響機床加工精度的主要原因之一。機床受到車間環境溫度的變化、電動機發熱和機械運動摩擦發熱、切削熱以及冷卻介質的影響,造成機床各部的溫升不均勻,導致機床形態精度及加工精度的變化。舉個例子,在一臺普通精度的數控銑床加工螺杆,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0.05mm。再如,一臺磨床,連續自動磨削1小時後,尺寸變化範圍增大到0.012mm,冷卻液溫度由開機時的17℃上升到45℃。這些事例都反映了一個事實:機床加工精度直接受到溫度變化導致的熱變形影響。
一、溫度對機床加工精度的影響的原因
實踐證明,機床受熱後的變形是影響加工精度的重要原因。機床是處在溫度隨時隨處變化的環境中;機床本身在工作時必然會消耗能量,這些能量的相當一部分會以各種方式轉化為熱,引起機床各構件的物理變化。這種變化又因為機床結構形式的不同,材質的差異等原因而有所差別。機床設計師正是普遍掌握了熱形成機理和溫度分佈規律,採取各種措施,才能使熱變形對加工精度的影響降至最小。
溫度導致的熱變形對機床精度影響的一般路徑及應對圖解▲
機床的溫度上升及溫度分佈也同樣受自然氣候影響。我國幅員遼闊,大部分地區處於亞熱帶地區,一年四季的溫度變化較大,一天內溫差變化也不一樣。由此,人們對室內(如車間)溫度的干預的方式和程度也不同。例如,長三角地區季節溫度變化範圍約45℃左右,晝夜溫度變化約5~12℃。機加工車間一般冬天無供熱,夏天無空調,但只要車間通風較好,機加工車間的溫度梯度變化不大。而東北地區,季節溫差可達60℃,晝夜變化約8~15℃。每年10月下旬至次年4月初為供暖期,機加工車間的設計有供暖,空氣流通不足,車間內外溫差可達50℃。機床本身會因為工作而生產熱量導致機床部件及機身溫度上升,如再疊加機床所處環境的溫度變化的影響,多重影響對機床的精度肯定會產生較大影響,精密機床的加工精度在這樣的車間內受環境溫度變化影響是很大的。
二、溫度對機床加工精度的影響的體現方式
溫度升高對機床正常工作和加工精度的主要影響體現在:
1.溫度升高使各部分零件溫度隨時間變化,使機床喪失已有的調整精度,從而影響被加工工件的尺寸,同時,溫度升高也使軸承間隙發生變化,進而影晌加工精度。
2.溫度升高使溫度分佈不均勻,造成零件本身的相互位置關係發生變化,引起零件的位移或扭曲。
三、如何防範、減緩、降低溫度變化對機床加工精度影響
機床在高速加工時,機床主軸與金屬加工件表面都會產生很高的溫度▲
減少溫度導致的熱變形對機器加工精度影響的措施有以下四個方面:
1.減少熱源,重點放在主軸軸承的轉速、間隙調整及合理的預緊。對於推力軸承和圓錐滾子軸承,因其工作條件差發熱較大,必要時可以改用推力角接觸球軸承代替,以儘量減少某些零部件的摩擦發熱。
2.隔熱,使熱源遠離主軸,如將電動機、變速器隔離、採用分離傳動等。
3.散熱,加強潤滑冷卻、採用油冷、風冷等方式、加快熱量散發。
在這些措施中,減少發熱控制熱源是根本的措施,在設計中要採取措施有效降低熱源的發熱量。
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