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机床热变形及温度补偿

黄鹏机械1205班

【车削加工热误差产生及补偿方法】

机床热误差主要由马达、轴承、传动件、液压系统、环境温度、冷却液等机床内外热源

引起的机床部件热变形而造成的。机床几何误差来自机床的制造缺陷、机床部件之间的配合

误差、机床部件的动、静变位等等。

【机床热变形产生的原因及常用控制方法】

机床在工作中受到多种热源的影响,热源产生的热量通过各种不同的方式传递给机

床,造成床身翘曲、导轨弯曲等,即机床热变形,比如:(1)电动机、油泵等机械动力源在执行

能量转换的过程中,由于内部摩擦等因素导致能量损耗并转换成热。这些热量通过传动件、

压力油、空气等传递到机床上;(2)电气箱、各种阀件、液压操纵箱、活塞副等由于频繁启用,都

会有不同程度的发热,并不同程度地将热量传递到机床上;(3)轴承副、齿轮副、导轨副、离

合器等运动件在运动时因摩擦而发热,这些热量通过润滑油传递,特别是床身内部的润滑油

池,会形成一个很大的热源;(4)在切削中,由于材料形状的变化而产生切削热,这部分热量由

切屑和润滑液传递到机床上,其中60%以上的热量直接传递给了床身;(5)环境因素的影响,如

季节的变化、阳光的照射、取暖装置的启用等,都会使机床各部分受热不均匀而引起变形。

热变形对机床加工的影响：线性位移变化、角度变化、部件直线度变化（中凸）。｛线性

变形是指热量扩散造成主轴在不同方向上变形，使主轴回转中心与其配合部件轴线或孔中心

的同轴度误差增大，破坏了机床的定位精度，造成工件加工尺寸误差。角度变形是指热变形

引起主轴轴线角度位置变化，造成主轴轴线相对于工作台的平行度或垂直度变化，严重影响

工件加工质量。

【热变形对精密机床精度的影响研究及控制措施】

国内外对热变形的研究大致分为三类:进行热误差建模和补偿;温度控制;热态特性优化

设计。

目前,对热误差补偿研究,美国密歇根大学ChenJ.S教授等提出了包括几何误差在内的多

达32个误差源的在线测量、数据处理和误差补偿系统,上海交大提出了鲁棒建模方法。还有

很多学者使用神经网络的方法进行热误差补偿。

温度控制方面：主轴系统是机床的主要热源产生地以及影响机床加工精度的主要部件。

前苏联在车床上应用了半导体装置自动控制油温;日本池贝铁工所生产的铣镗床上采用了喷

雾技术。三菱重工在20世纪80年代研制了电子冷却主轴。浙江大学和武汉重型机床厂联合

开发了应用于重型机床的热监控系统,来控制机床的热变形。利用辅助人工热源,也可以对机

床热变形进行矫正,如美国莫尔公司的座标磨床、瑞士豪斯公司的2A3座标镗床等,均采用电

子线路对人工热源实行控制,有效地改变了机床的热变形,提高了加工精度。

在热态特性优化设计方面：依据日本吉田嘉太郎提出的热对称面理论进行结构热对称设

计；如浙江大学根据相变材料的特性,提出将相变材料注入到机床基础件中,可在一定范围内

消除基础件的热变形。吉林省机电研究设计院利用自准直原理设计新型导轨磨床,这种方法

可基本消除由于环境温度变化引起的基础件的热变形。

【机床热变形产生机理及控制措施】

减少机床热变形的措施：控制机床热变形方向，使机床的热变形方向尽量不要在误差敏

感方向；进行热变形补偿；机床结构优化设计（隔离热源和强制冷却）。减少机床热变形的

措施：控制机床热变形方向，使机床的热变形方向尽量不要在误差敏感方向；进行热变形补

偿；机床结构优化设计，改进机床结构、解决热源发热的问题、隔离热源和强制冷却。

【减少机床热变形的有效途径】

据英国伯明翰大学J.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%。

各种热源的发热量以及环境温度,都随机械设备的运行情况和时间而变化,又因为机械

设备都有一定的热容量,其温升存在一定的滞后。因此,热变形是随时间变化的非恒定现象。

机床工作中,主轴、导轨副、齿轮副、液压系统均承受较大负荷,产生大量的摩擦热,这

种内部热源虽产生的温差效应小,不会导致机床高温,但却通过热传导造成机床温度场不均

匀,它是机床热变形的主要原因。另外,虽然切削热大部分被切削液和切屑带走,但它却是直

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