探讨数控机床产生热变形的主要原因

数控机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。此外，机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。因此，要想控制热变形，必须从减少发热、控制温升、改善结构等方面着手。
工艺过程的自动化和精密加工的发展对机床的加工精度和精度稳定性提出了越来越高的要求。机床在内外热源的影响下，各部件将发生不同程度的热变形，使工件与刀具之间的相对运动关系遭到破坏，也使机床的精度下降。在通常情况下，为了使机床的热变形达到稳定的数值，需要花费很多时间来预热机床，这就直接影响了机床的生产率。对于数控机床来说，因为全部加工尺寸是预先编制的指令控制的，热变形的影响就更为严重。因此，认真分析数控机床热变形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意义。
一、数控机床的热变形成因分析
机床产生热变形的主要原因是热源及机床各部分的温差。热源通常包括加工中的切削热、运动副的摩擦热和动力源的发热以及辐射与周围环境等其它外界热源等。此外，机床零件的材料、结构、形状和尺寸的不一致也是产生热变形的重要因素。
（一）切削热
在金属切削过程中，由机械能变为被切削材料的变形能，从而产生大量的热量，产生热量的大小主要取决于被切削材料的性质及切削用量的大小。切削产生的热量主要通过传热分配到刀具、工件和切屑，它们之间按照一定的比例关系分配热量。对于不同的加工种类，其切削热的计算与分配也各不相同。
在车削加工中，大量的热量被切屑带走，传给工件的热量次之，一般在30%以下，而传给刀具的热量又次之，一般不大于5%；对于铣削和刨削加工，传给工件的热量一般在30%以下；在不加冷却液切削时，大量的切屑落在机床床身和工作台上，它对床身和工作台热变形的影响是显而易见的。但大量的切屑只有粗加工时才有，而机床热变形对粗加工精度的影响则一般可以忽略；对于精加工，由于走刀量和切削深度一般比较小，故切屑带走的热量也比较小，它们所引起床身和工作台的热变形也相对比较小，是否需要考虑，要看具体情况而定。但在加工中心上，零件的粗、精加工往往在同一台机床上进行加工，对工作台热变形的影响，就应予以注意。
（二）运动副的摩擦热和动力源的发热
机床有各种运动副，如主轴部件的滚动轴承、工作台与导轨、丝杠与螺母等，运动件之间的相互运动产生摩擦力，从而引起摩擦热而形成热源。电机本身的发热和液压系统的发热，也成为机床某一部件的发热源。现代机床的传动结构，尤其是数控机床已经被大大简化，主轴部件已成为影响机床热变形的主要部分，而主轴部件的主要热源来自于主轴轴承的发热。
（三）辐射与周围环境等其它外界热源
机床受到日光的照射通常是单面的或局部的，故在照射部分与未经照射的部分之间出现温度的差异，致使机床产生变形。周围环境的温度，则随气温及昼夜温度的变化而变化，通过空气对流使机床及工件的温度也发生变化，不仅对机床的精度有一定的影响，而且影响零件的加工精度。例如，在精滚大直径的斜齿轮时，要经几昼夜的连续加工，昼夜温差将引起齿轮齿表面的波纹度误差。