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1、应用技术减少机床热变形的有效途径胡鹏浩费业泰王会生(合肥工业大学精仪系)摘要总结并分析了国内外机床设计和制造中已经使用并取得一定成效的减少机床热变形的方法,为减少机械和机床的热变形提供了新思路。关键词热变形机床温度场AbstractThispaperanalysesandconcludesthemethodswhichhasbeenusingforreducingthermalerror.Itprovidesanewideaforde2signingmachineandmachinetools.KeywordsThermaldeformationMachin
2、etoolsTemperaturefields机械设备都有一定的热容量,其温升存在一定的滞一、引言后。因此,热变形是随时间变化的非恒定现象。同时,在不少场合,热源、温度场、热变形三者之间的相互作机床在工作过程中,在各种热源的作用下,各处用十分明显。比如,主轴轴承在运转时发热,使轴承圈温度在不断变化。由于热源形式、分布情况和机械结温度升高产生热膨胀,于是游隙减小,摩擦力增加,提构本身的复杂性,形成了非均匀温度场,致使个部件高了发热量,从而使轴承热膨胀情况进一步恶化,直发生不同程度的热变形,破坏了部件之间原先的相至轴承卡死。垣野义昭和加拿大的Attia和热弹性力
3、对位置,使精度下降,尤其对精密机床的影响较大,学的研究也证实了它们之间的这种相互作用。从而使加工精度下降。据英国伯明翰大学J.热源Peclenik教授调查统计表明,在精密加工中,热变形引起的制造误差,占总制造误差的40%～70%。日发热本京都大学的垣野义昭也有类似的估算。热变形所热特性、边界条件引起的加工误差不易检测和辨别,难以补偿。纳米技术的出现和发展,可以说对加工精度的要求有了质非均匀温度场的飞跃,热变形问题也越来越突出,已成为机械工程几何形状改变中一个重要的基础理论问题。各部位变形二、机床中的热源和热变形的关系相对位置变化机床中的热源,一般可分为:内部
4、热源、外部热精度下降源两类。内部热源包括设备运行中的运动副产生的图1摩擦热,加工中的切削热;外部热源指环境温度的变机床工作中,主轴、导轨副、齿轮副、液压系统均化和各种热辐射(阳光、照明、人体体温等)。承受较大负荷,产生大量的摩擦热,这种内部热源虽人们多用图1描述热源和精度之间的关系、揭产生的温差效应小,不会导致机床高温,但却通过热示机械热变形的机理,认为热源→温度→热变形是传导造成机床温度场不均匀,它是机床热变形的主单向作用的。事实上,各种热源的发热量以及环境温要原因。另外,虽然切削热大部分被切削液和切屑带度,都随机械设备的运行情况和时间而变化,又因为走,但
5、它却是直接造成工件热变形的原因,甚至造成烧伤。同时,它还可以通过切削液和切屑二次传热,收稿日期:1998204209影响机床的温度场。第21卷第1期1999年2月51三、机床热变形的特性主轴系统:车、铣、镗、磨的主轴完成主要的切削加工运动,主轴回转中轴承产生的摩擦热会引起机床的热变形,它使主轴偏离原来的位置,以车床为例,如图2所示,前轴承负荷重,发热更大,主轴在水平和垂直方向发生偏离,同时,热量传至床身使床身上凸,引起主轴轴线再偏离,轴线总偏离中,床身所引起的占75%,主轴本身的偏离只占25%,据实测,图3C620-1,n=1200römin空转6小时,主轴
6、轴线在垂直方向上位移140Lm,倾斜60Lmö300mm而在水平形。方向上位移约8Lm,倾斜013～018Lmö300mm,虽应使关键部件的热变形不在加工误差的敏感方然垂直方向热变形大,但它不在误差敏感方向上,故向上,如图4示车床主轴箱和床身连接的结构中,图对加工精度影响较小。4(a)比图4(b)有利,因前者的主轴轴线相对于装配基准H,只有垂直方向的热位移,不在误差敏感方向上,而后者除Z方向的位移外,还产生Y方向的热位移,处在误差敏感方向上,对加工精度有直接影响。图2导轨部分:龙门刨、牛头刨、立车等主要运动是工作台和导轨完成的,而且工件一般较重,此时导轨的摩
7、擦热是引起热变形的主要原因。(a)(b)四、减小热变形的途径图411降低温升合理安排支承的位置,使产生对加工精度有直(1)降低热源强度对于切削热,可控制切削接影响的热位移的有效部分缩短。图5(b)的结构比用量,对于摩擦热可采用气浮、液压主轴和导轨减小图5(a)好,因为控制砂轮架移动方向和位置的丝杠摩擦,同时压力介质还可以带走热量,而且还有均化的有效长度小,因此热变形产生的加工误差小。误差的作用,对于提高主轴和导轨精度很有好处。大件的结构和布局对机械的热态特性影响很(2)隔热和导热国产T4163坐标镗床采用隔大,国产B665牛头刨,原滑枕截面设计为图6(a),
8、热罩3将主电机2、变速箱1产生的热量通过电机这种滑枕
