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工具机热变形补偿应用技术 财团法人精密机械研究发展中心 制造技术部 汤耀期工程师 一、概论 1．背景与演进 随着工具机 NC 化及自动化的演进，工具机机台精度的稳定性要求日益严苛。而其中影响工具 机加工精度的主要误差来源就是切削期间结构热变形所产生的热误差。因此如何降低由温升热变 形所引起之加工误差乃成为工具机制造厂必须面对的重要课题。尤其当工具机朝向高速化发展后， 由于高速化所伴随之大量热源使热变形之变化将更为显著。 热涨冷缩为大多数金属材料的温度特性，一般以钢或铸铁为结构的切削工具机对温度的反应 也不例外。进行切削加工时，由于各项内外热源的影响会使工具机结构发生温度上的变化，则其 结果将影响到加工后工件尺寸及形状上的偏差。因此，改善机台加工精度及选择良好加工制程， 都是达成高质量产品的关键。 当工具机面临高速化的同时，伴随而来的高精度要求比以往更甚。过去的加工机对于热变形的了解 与影响并没有深刻的认识与重视，但在同一时间日本、欧美等国之工具机大厂针对热变形补偿的技术， 早以发展成熟并且使用在许多要求精密加工之机台上。 PMC 成立之初，从热变形的量测技术开始建立解决工具机热变形问题的能量，经过补偿硬件的制作、噪 声问题的克服及热变形建模等历程，中间经过许多同仁的努力与参与如今才有丰硕的果实 如今的热变形补偿技术除了技术以达成熟外，其补偿模块更臻于商品化的阶段，且大量的 使用于国内的工具机机台上替客户解决许多热变形问题，不仅仅提升了使用者加工精度的提升， 更创造了制造者的附加价值。 2．热源的种类及分类 工具机在进行加工过程，马达、液压系统和机械摩擦都是在进行能量的转换。不论转换途径 为何，大多变成了热，而工具机因温升所产生的热变形即是由各种热源所引起。这些热量一部份 由切屑和冷却液带走(切削摩擦热)、一部份发散至周围环境、一部份传至工件，造成工件温升。 而大部份的热量则残留于工具机内，造成机体内部的温度变化。此外，工具机的温度变化还有其 外部原因，即环境温度变化和日光的照射等原因。 工具机机体的温度并非定值，有复杂的变化。在我们进行加工时，其温度上升；加工结束后 停机时，温度则下降。加工另一批工件时，则温度又上升；加工结束停机时，温度再次下降。再 以环境温度而言，有日夜周期性的温度变化、也有春、夏、秋、冬四季的交替变化。 此外，热源亦会经由热传导、对流和辐射等传热方式，使工具机各组装部位产生温度差后， 出现热变形现象，降低工具机的几何和定位精度；且由于工件温度和量具的温度不同，也因而降 低了量测精度及量测的准确性。因此吾人将热源的种类大体上分为两类： 内部热源 外部热源 损失热 加工热 传导对流热源 放射热源 马达 被削物 室内空气 天井 轴承 切削屑 热风冷风 窗 齿轮 切削油 空气流动 壁 皮带 人 地板 导螺杆 地板 冷冻机 1 离合器 周围机械 导