1.机床热变形对加工精度的影响

一般机床的体积较大，热容量大，虽温升不高，但变形量不容忽视。机床结构较复杂，达到热平衡的时间较长，各部分的受热变形不均，会破坏原有的相互位置精度，造成工件的加工误差。

机床结构和工作条件不同，机床热变形的热源和变形形式也不尽相同。对于车、铣、钻、镗类机床，其主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是其主要热源，因而使得主轴箱及与之相连部分，如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。车床主轴发热使主轴箱在垂直面内与水平面内发生偏移和倾斜，如图12-25（a）所示。图12-25（b）所示为车床主轴温升、位移随运转时间变化而变化的情况。由图12-25（b）可见，Y方向的位移量远大于X方向的位移量。由于Y方向是误差非敏感方向，故对加工精度影响较小。

图12-25　车床主轴温升与变形

（a）车床受热变形形态；（b）温升与变形曲线

对于龙门刨床、导轨磨床等大型机床，其床身较长。如果导轨面与底面间有温差，那么床身导轨就会产生较大的弯曲变形，从而影响加工精度。例如一台长13m、高0.8m的导轨磨床床身，导轨面与床身底面温差为1℃时，其弯曲变形量可达0.33mm。床身上下表面产生温差的原因，不仅仅是由工作台运动时导轨面摩擦发热所致，环境温度的影响也是重要的原因。例如在夏天，地面温度一般低于车间室温，床身会产生“中凸”。

2.刀具热变形所引起的误差

尽管在切削加工中传入刀具的热量很少，但由于刀具的尺寸和热容量小，故仍有相当程度的温升，从而引起刀具的热伸长并造成加工误差。例如车削时高速钢车刀的工作表面温度可达700～800℃，硬质合金可达1 000℃，刀具伸长量可达0.03～0.05mm。

图12-26所示为车刀热伸长量与切削时间的关系。从车刀连续切削开始，刀具的温升和热伸长较快，随后趋于缓和，经30min逐步达到热平衡。当切削停止时，刀具温度开始下降较快，之后逐渐减缓。刀具断续加工时，变形趋于零。如加工一批短小轴件，在加工过程中机床、工件、刀具趋于热平衡。在连续冷却条件下，经20min后温度趋于室温，变形趋于零。

图12-26　刀具热变形曲线

3.工件热变形引起的误差

（1）工件均匀受热。

一些简单的均匀受热工件，如车、磨轴类件的外圆，待加工后冷却到室温时其长度和直径将有所收缩，由此而产生尺寸误差ΔL。ΔL可用简单的热伸长公式进行估算，即

式中：L——工件热变形方向的尺寸（mm）；

α——工件的热膨胀系数（1/℃）；

Δt——工件的平均温升（℃）。

（2）工件非均匀受热。

应该知道，工件受热不均会引起内部产生热应力和外部变形。如磨削零件的单一表面，由于工件单面受热而产生向上翘曲变形Y，加工冷却后将形成中凹的形状误差Y′，如图12-27（a）所示。可根据图12-27（b）所示几何关系得出图12-27（a）中工件凹形状误差Y′的关系式，即

图12-27　薄壁零件热变形

式中：α——工件的热膨胀系数；

Δt——工件上下表面温差。

式（12-7）说明，工件的长度L越大，厚度H越小，则中凹形状误差Y′就越大。在铣削或刨削薄板零件平面时，也有类似的情况发生。为减小工件的热变形带来的加工误差，在工件长度L和厚度H基本一定的前提下，应重点控制好工件上下表面温差Δt。(www.daowen.com)

（3）控制工艺系统热变形的主要措施。

有效地控制工艺系统热变形的主要措施是采用高效的冷却方式，加强其散热能力，加速系统热量的散发，如喷雾冷却、冷冻机强制冷却等。

图12-28所示为坐标镗床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的实验结果。当不采用强制冷却时，机床运转6h后，主轴与工作台之间在垂直方向发生了190μm的位移（图中曲线1所示），而且机床尚未达到热平衡。当采用强制冷却后，上述热变形位移减少到15μm，见图12-28中曲线2），可见强制冷却的效果是非常显著的。

控制工艺系统热变形的另一依据是减少热量的产生和传入。其措施是：合理选用切削和磨削用量；正确使用刀具和砂轮；及时刃磨刀具和修整砂轮等，以免产生过多的加工热。从机床的结构和润滑方式上考虑，要注意减少运动部件之间的摩擦，减少液压传动系统的发热，隔离电动机、齿轮变速箱、油池、磨头（图12-29）等热源，使系统的发热及其对加工精度的影响得以有效控制。

图12-28　镗床强制冷却曲线

图12-29　磨床隔离热源

①均衡温度场。在机床设计时，采用热对称结构和热补偿结构，使机床各部分受热均匀，热变形方向和大小趋于一致，或使热变形方向为加工误差非敏感方向，以减小工艺系统热变形对加工精度的影响。图12-30所示为平面磨床所采用的均衡温度场措施的示意图。该机床油池位于床身底部，油池发热会使床身产生中凹，达0.364mm。经改进在导轨下配置油沟，导入热油循环，使床身上下温差大大减小，热变形量也随之减小。

图12-31所示的立式平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以均衡立柱前后壁的温升，减小立柱的向后倾斜。图中热空气从电动机风扇排出，通过特设软管引向立柱后壁空间。采用该措施后，磨削平面的平面度误差可降到未采取措施前的1/4～1/3。

图12-30　磨床热油循环油沟

图12-31　均衡温度场

②缩小发热零件长度。图12-32所示为外圆磨床横向进给机构示意图，图（b）中对螺母位置进行改进，缩小了丝杠热变形长度，使得热变形造成的丝杠螺距的累积误差减小，因而砂轮的定位精度较高。

②对发热零部件拟采用热对称结构。例如，在图12-33所示的传统牛头刨滑枕截面结构内，由于导轨面的高速滑动，导致摩擦生热，使滑枕上冷下热，产生弯曲变形。如果将导轨布置在截面中间，滑枕截面上下对称，显然可以减小导轨面的弯曲变形。

图12-32　缩小丝杠变形长度

（a）改进前；（b）改进后

图12-33　刨床滑枕改进后的热对称结构

（a）改进前；（b）改进后

针对机床主轴因为热变形和热伸长造成加工精度降低，可采取的应对措施如下：

①控制环境温度，安排精密加工在恒温室内进行。

②采用带有恒温冷却系统的主轴机床，自主控制主轴温升。

③采用智能热屏障技术，以机床温度为基准温度，通过传感器对主轴热位移进行精确监测，再通过热变形补偿技术、主轴冷却装置同时控制温升，实现高精度主轴的膨胀和收缩补偿，使得长时间加工精度保持稳定。