数控机床精度的影响因素

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。
<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>例如，在一台普通精度的数控铣床上加工70mm×1650mm的螺杆，上午700铣削的工件与下午230加工的工件相比，累积误差的变化可达85m。而在恒温条件下，则误差可减小至40m。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>再如，一台用于双端面磨削0.6～3.5mm厚的薄钢片工件的精密双端面磨床，在验收时加工200mm×25mm×1.08mm钢片工件能达到mm的尺寸精度，弯曲度在全长内小于5m。但连续自动磨削1h后，尺寸变化范围增大到12m，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5.5kW制冷机，效果十分理想。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>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然会消耗能量，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，采取相应的措施，使热变形对加工精度的影响减少到最小。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>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835，车间内温度变化约3.5℃。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。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>1）机床结构性热源。电动机发热如主轴电动机、进给伺服电动机、冷却润滑泵电动机、电控箱等均可产生热量。这些情况对电动机本身来说是允许的，但对于主轴、滚珠丝杠等元器件则有重大不利影响，应采取措施予以隔离。当输入电能驱动电动机运转时，除了有少部分（约20%左右）转化为电动机热能外，大部分将由运动机构转化为动能，如主轴旋转、工作台运动等；但不可避免的仍有相当部分在运动过程中转化为摩擦发热，例如轴承、导轨、滚珠丝杠和传动箱等机构发热。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>1）机床的结构形态。在总体结构方面，机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式等，对于热的响应和稳定性均有较大差异。例如齿轮变速的车床主轴箱的温升可高达35℃，使主轴端上抬，热平衡时间需2h左右。而斜床身式精密车铣加工中心，机床有一个稳定的底座。明显提高了整机刚度，主轴采用伺服电动机驱动，去除了齿轮传动部分，其温升一般小于15℃。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>2）热源分布的影响。机床上通常认为热源是指电动机。如主轴电动机、进给电动机和液压系统等，其实是不完全的。电动机的发热只是在承担负荷时，电流消耗在电枢阻抗上的能量，另有相当一部分能量消耗于轴承、丝杠螺母和导轨等机构的摩擦功引起的发热。所以可把电动机称为一次热源，将轴承、螺母、导轨和切屑称之为二次热源。热变形则是所有这些热源综合影响的结果。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>3）质量分布的影响。质量分布对机床热变形的影响有三方面。其一，指质量大小与集中程度，通常指改变热容量和热传递的速度，改变达到热平衡的时间；其二，通过改变质量的布置形式，如各种筋板的布置，提高结构的热刚度，在同样温升的情况下，减小热变形影响或保持相对变形较小；其三，则指通过改变质量布置的形式，如在结构外部布置散热筋板，以降低机床部件的温升。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>控制机床热变形的关键是通过热特性测试，充分了解机床所处的环境温度的变化，机床本身热源及温度变化以及关键点的响应（变形位移）。测试数据或曲线描述一台机床热特性，以便采取对策，控制热变形，提高机床的加工精度和效率。具体地说，应达到以下几个目的：

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>主轴系统热变形试验中共设置了5个测量点，其中点1、点2在主轴端部和靠近主轴轴承处，点4、点5分别在铣头壳体靠近Z向导轨处。测试时间共持续了14h，其中前10h主轴转速分别在0～9000r/min范围内交替变速，从第10h开始，主轴持续以9000r/min高速旋转。可以得到以下结论：

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>电动机的输出功率P等于电压V和电流I的乘积，一般情况下，电压V是恒定的，因此，负荷的增大，意味着电动机输出功率增大，即相应的电流I也增大，则电流消耗在电枢阻抗的热量增大。若我们所设计选择的电动机长时间在接近或大大超过额定功率的条件下工作，则电动机的温升明显增大。为此，对BK50型数控针槽铣床铣头进行了对比试验（电动机转速：960r/min；环境温度：12℃）。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>在全长600mm内预拉伸35m的轴向固定结构在不同的进给速度下温升比较接近。两端固定预拉伸结构的累积误差明显小于单端固定另一端自由伸长的结构。在两端轴向固定预拉伸结构中，发热引起的温升主要是改变丝杠内部的应力状态由拉应力变为零应力或压应力。因此对位移精度影响较小。

<p style="margin-right: 0px; margin-left: 0px; padding: 0px; font-family: PingFangSC, STHeiti, "Microsoft YaHei", Helvetica, Arial, sans-serif; text-align: justify; margin-top: 0px !important; margin-bottom: 17px !important; color: rgb(34, 34, 34) !important; font-size: 17px !important; overflow-wrap: break-word !important; line-height: 1.76 !important;”>使用传统的冷却液供给方式，30min后，工件尺寸就超差。采用制冷机后，可以正常加工到70min以上。在80min时工件尺寸超差的主要原因是砂轮需修整（去除砂轮面上的金属屑），修整后马上即可回复原来的加工精度。效果非常明显。同样，对于主轴的强迫冷却也能期望得到非常好的效果。

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