机床热变形与结构热对称设计

机床热变形分析与防治作者：张仓来源：《科教导刊·电子版》2016年第11期摘要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。

关键词热变形分析成因防治中图分类号：TG502 文献标识码：A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，认真分析机床热变形的成因，并研究防范措施具有十分重要的意义。

1热变形影响加工精度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。

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。

2机床热变形的成因分析在金属切削过程中，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。

机床的热变形是影响机床加工精度的主要因素之一，它会造成误差的产生，降低产品的精度。

给加工生产带来一定的困扰。

机床的热变形会直接导致线性位移发生变化、角度发生变化、部件直线度发生变化。

所以，对于操作者来说要做好热误差的控制和防止是十分重要的。

那么，机床热变形的控制与防止的方法都有哪些呢？下面我们就来具体介绍一下。

1、工艺上的措施（1）在精加工开始之前，先让机床空转一段时间，等机床达到热平衡状态后再进行加工。

有时为了缩短空转时间，工作人员让机床进行高于工作速度的空转以迅速预热。

（2）加工一批零件时，不要停车或尽量缩短停车时间，防止破坏机床热平衡。

（3）进行加工高精度时，应采用冷却装置来保持加工区域的恒定温度，但要注意冷却装置应尽量远离机床并采取隔热措施。

（4）用软件热误差补偿的方法进行机床的改造。

2、进行机床设计采取的措施（1）减少热源的发热量热源的发热是导致机床发生热变形的主要原因，因此，想要减少热变形可以通过减少热源的发热量来达到。

当然在加工过程中发热使不可避免的，但可以通过采用一些措施尽量减小热源发热量。

进行精密加工过程中，主轴轴承是主要热源。

因此，提高轴承质量，改善轴承润滑条件就是减少主轴箱发热的重要手段，如采用低粘度的润滑油和锂基润滑脂等或改用液压主轴或空气静压主轴来减小摩擦发热；改善机床导轨的摩擦润滑条件，如采用低摩擦系数的导轨材料或静压导轨等；提高齿轮的传动精度；改善丝杠的运动条件，如采用滚珠丝杠等等。

（2）合理结构设计将热源置于散热的位置，如立式机床往往将电动机置于主轴顶部，并采用风冷散热装置进行散热；对电动机、液压系统、变速箱等产生热源的部件从主机中分离出去或者采用隔热罩将热源隔开；注意机构的对称性设计，比如主轴箱的内部结构中注意轴、轴承以及齿轮等传动元件安放的对称性可以均衡箱壁的温升来减小其热变形，铣床立柱和升降台内部传动元件的安排就应该如此设计，这就是热对称设计。

（3）均匀机床部件的温升减少热误差还可以通过减小机床部件的温差来达到。

数控机床机械结构的特点为了达到数控机床高的运动精度、定位精度和高的自动化性能，其机械结构的特点主要表现在如下几个方面。

1．高刚度数控机床要在高速和重负荷条件下工作，因此，机床的床身、立柱、主轴、工作台、刀架等主要部件，均需具有很高的刚度，以减少工作中的变形和振动。

例如，有的床身采用双结构，并配置有斜向肋板及加强肋，使其具有较高的抗弯刚度和抗扭刚度；为提高主轴部件的刚度，除主轴部件在结构上采取必要的措施以外，加工中心还要采用高刚度的轴承，并适当预紧；增加刀架底座尺寸，减少刀具的悬伸，以适应稳定的重切削等。

2．高灵敏度数控机床的运动部件应具有较高的灵敏度。

导轨部件通常用滚动导轨、塑料导轨、静压导轨等，以减少摩擦力，使其在低速运动时无爬行现象。

工作台、刀架等部件的移动，由交流或直流伺服电动机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了定位精度和运动平稳性。

3．高抗振性数控机床的一些运动部件，除应具有高刚度、高灵敏度外，还应具有高抗振性，即在高速重切削情况下减少振动，以保证加工零件的高精度和高的表面质量。

特别要注意的是避免切削时的谐振，因此对数控机床的动态特性提出了更高的要求。

4．热变形小机床的主轴、工作台、刀架等运动部件在运动中会产生热量，加工中心从而产生相应的热变形。

而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。

为保证部件的运动精度，要求各运动部件的发热量要少，以防产生过大的热变形。

为此，机床结构根据热对称的原则设计，并改善主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动导轨副的摩擦特性。

如MJ—50CNC数控车床主轴箱壳体按照热对称原则设计，并在壳体外缘上铸有密集的散热片结构，主轴轴承采用高性能油脂润滑，并严格控制注入量，使主轴温升很低。

加工中心对于产生大量切屑的数控机床，一般都带有良好的自动排屑装置等。

5．高精度保持性为了加快数控机床投资的回收，必须使机床保持很高的开动比(比普通机床高2～3倍)，因此必须提高机床的寿命和精度保持性，在保证尽可能地减少电气和机械故障的同时，要求数控机床在长期使用过程中不丧失精度。

精密机械设计中的热变形控制策略摘要：在精密机械设计中，热变形控制是一个非常重要的考虑因素。

由于机械系统在运行过程中会产生热量，导致部件温度升高，从而影响其尺寸和形状，这种情况在精密机械中可能导致显著的误差。

因此，为了确保精密机械的稳定性和精度，必须采取有效的热变形控制策略。

关键词：精密机械设计，热变形，控制策略，热膨胀系数，冷却系统1引言随着科技的发展，对于精密机械的要求越来越高，热变形控制成为了精密机械设计中的关键问题。

热变形是指机械系统由于热量导致的形状和尺寸的变化，它会严重影响机械的精度和性能。

本文将探讨在精密机械设计中如何有效控制热变形。

2精密机械设计中的热变形控制策略2.1减少热源在机械设计中，减少热源是一个有效的控制热变形的方法。

热源是指产生热量的源头，例如电机、激光器等高发热元件。

设计师可以通过以下方法来减少热源：（1）选择低热传导系数的材料：在设计和制造过程中，选择低热传导系数的材料可以减少热量的传递，从而降低热变形的影响。

例如，在电机或激光器的设计中，可以使用低热传导系数的材料来减少热量的产生和传递。

（2）优化电路设计：在电子设备中，优化电路设计可以减少能量的消耗和热量的产生。

例如，通过减少电阻、优化电流路径等方法来降低能量的消耗，从而减少热源。

（3）使用散热器或冷却系统：对于高发热元件，可以使用散热器或冷却系统来降低温度。

例如，在电机或激光器的设计中，可以使用散热器或液体冷却系统来导出热量，降低热变形的影响。

（4）减少能量的输入：减少能量的输入可以减少热量的产生，从而降低热变形的可能性。

例如，在机械系统中，可以通过优化运动轨迹、使用高效能元件等方法来减少能量的输入。

通过减少热源，可以降低热变形的影响，提高机械的稳定性和精度。

这对于高精度的机械系统来说非常重要，如航空航天、精密测量和制造业等领域。

2.2散热设计散热设计是降低机械部件温度的重要手段。

设计师可以通过合理的设计，使用散热器、导热材料等来增强散热效果。

机床热变形及温度补偿【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。

实验四机床温度场和热变形的测定一﹑实验目的1.通过实验了解﹑分析机床的热态特性，即受热后温升和热变形的情况，以及各热源对加工精度的影响；2.了解和分析减少机床热变形的措施；3.熟悉机床温度场和热变形的测试方法。

二﹑实验用设备和仪器1.普通车床一台；2.半导体点温计一个；3.千分表两只（也可用非接触式电容测微仪或涡流测微仪）；4.检验棒一根。

此外，在温度场的测试中，还可采用热电偶，它的测量精度较高（0.1～0.20C），反应速度快，制作亦简单，成本不高。

具体制作方法可参考有关资料。

三﹑实验原理机床的温升和热变形是由各种“热源”引起的。

工艺系统的热源可以分为两大类：即内部热源和外部热源。

其中内部热源包括机床的传动件（如电动机﹑轴承﹑齿轮副﹑液压系统﹑离合器和导轨副等）运转时产生的“摩擦热”和机床加工工件过程中所产生的“切削热”（如工件﹑刀具﹑切屑和切削液等）；外部热源包括环境温度（如气温﹑冷热风气流﹑地基温度等）的变化和各种热辐射（如阳光﹑暖气设备﹑人体等）的影响。

但热源的热量本身并不直接产生变形，只有当热源热通过热传导﹑对流和辐射等传热方式（在机床上，传热的主要方式是热传导，而对流和辐射则往往起散热作用）向外传热，使机床各部件产生温升，形成温度差以后，才会出现热变形现象。

机床在内外热源影响下，各部分的温度将发生变化。

由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床上各部分的温度不是一个恒定的值，在一般情况下，温度是时间和空间的函数。

这种随时间而变的温度场，称之为不稳定温度场。

如果机床上各点的温度都不随时间而变，则此温度场称为稳定温度场。

机床上一般为不稳定温度场。

机床热变形的影响，主要有以下几方面：由于机床各热源的分布及其所产生的热量都是不均匀的，因此机床各个零部件的温升和热膨胀也就不均匀，从而改变了各运动部件的相对位置及其位移的轨迹，因此，影响加工精度；改变滑移面的间隙，降低油膜的承载能力，恶化机床的工作条件；由于工件升温，与测量工具的温度不同，影响了测量精度。

把握工艺系统热变形的主要措施 - 机械制造1、削减热量产生和传入要正确选用切削和磨削用量、刀具和砂轮，还要准时地刃磨刀具和修整砂轮，以免产生过多的加工热。

从机床的结构和润滑方式，要留意削减运动部件之间的摩擦，削减液压传动系统的发热，隔离电机、齿轮变速箱、油池、冷却箱等热源，使系统的发热及其对加工精度的影响得以把握。

2、加强散热力量接受高效的冷却方式，如喷雾冷却、冷冻机强制冷却等，加速系统热量的散出，有效地把握系统的热变形。

图1所示为一台坐标镗床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的试验结果。

当不接受强制冷却时，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，而且机床尚未达到热平衡（图中曲线1）；当接受强制冷却后，上述热变形削减到15μm，而且机床运转不到2h时就达到热平衡（图中曲线2）。

图1 强制冷却对坐标镗床影响3、均衡温度场在机床设计时，接受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全都，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2所示为M7140型磨床所接受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0.265mm）。

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。

4、接受合理的机床零部件结构如传统的牛头刨滑枕截面结构（图3），由于导轨面的高速滑动，摩擦生热，使滑枕上冷下热，产生弯曲变形。

若将导轨布置在截面中间，使滑枕截面上下对称，就可大大地减小其弯曲变形。

这种结构常被称为热对称结构。

5、合理选择机床零部件的装配基准如图4所示为外圆磨床横向进给传动示意图，图b中把握砂轮架横向位置的丝扛长度比图a短，因热变形造成丝扛的螺距累积误差要小，所以砂轮的定位精度较高。

图4 支承距对砂轮架热变形的影响6、把握环境温度精密加工应在恒温室内进行。

数控机床技术中的加工力与热变形分析在数控机床技术中，加工力与热变形是两个重要的研究领域。

加工力是指在机床加工过程中，刀具对工件施加的切削力和轴向力。

热变形则是指工件在机床加工过程中由于高温所引起的尺寸和形状的变化。

准确地分析加工力和热变形对数控机床性能和加工质量的影响，对于提高加工精度和效率至关重要。

首先，加工力对数控机床的性能和刀具寿命有着重要的影响。

毫无疑问，切削力是数控机床所必然面对的主要力矩之一。

合理控制加工力对于减少工件变形、降低切削温度、提高机床刚性和保证刀具寿命具有至关重要的作用。

因此，研究加工力与切削参数之间的关系，选择合适的切削参数，优化刀具结构和刀具材料，对于提高数控机床的加工效果具有重要意义。

其次，热变形对加工精度和表面质量的影响也不可忽视。

在数控机床的高速切削和重切削过程中，由于切削热的存在，工件和机床结构会发生相应的热变形。

这种变形对于工件的精度和表面质量造成了直接的影响。

因此，了解热变形规律，通过优化切削工艺和选择合适的冷却方式来减少热变形，对于提高加工精度和产品质量具有重要意义。

现代数控机床的发展离不开研究加工力与热变形的理论与实验研究。

通过数学建模和有限元分析等方法，可以模拟加工过程中的力和热变形，并根据模拟结果优化切削条件和机床结构设计，实现高效、高精度的加工。

值得注意的是，不同材料和加工工艺对加工力和热变形的影响是不同的。

例如，硬度较高的材料，其切削力较大，而易热变形；而某些塑性较好的材料，切削力相对较小，但热变形比较严重。

因此，在实际应用中，需要进行针对不同材料和加工工艺的力和热变形的研究，并根据不同情况进行合理的机床选择和切削参数设置。

在实际加工中，为了准确测量加工力和监控热变形的情况，研究者通常会采用力传感器和位移传感器来获取相关数据。

利用这些传感器获取的数据，可以通过计算和分析得到加工力和热变形的准确数值，进而优化加工工艺和机床设计。

综上所述，数控机床技术中的加工力与热变形分析对于提高加工精度、加工质量和机床性能具有重要意义。

机床热误差产生原因分析及常用补偿办法【摘要】本文围绕着机床热误差的产生原因和常用补偿办法展开讨论。

首先介绍了研究背景、研究意义和研究目的，引出了对机床热误差的分析。

在详细分析了机床热误差的产生原因，包括环境温度变化、机床结构刚度和材料特性等方面。

介绍了常用的补偿办法，如温度补偿、结构设计和工艺改进等方法。

最后通过总结和展望，强调了对机床热误差的重视与解决的重要性，为提高加工精度和效率提供了参考。

本文对于了解和应对机床热误差具有一定的指导意义。

【关键词】1. 机床2. 热误差3. 产生原因分析4. 常用补偿办法5. 研究背景6. 研究意义7. 研究目的8. 总结9. 展望1. 引言1.1 研究背景机床热误差是制约数控机床加工精度的重要因素之一，随着机床精度要求的不断提高，对机床热误差的研究也越来越受到重视。

机床在工作过程中，受到外界环境温度的影响以及机械传动元件自身运动和内部热源等因素的影响，都会导致机床温度的变化，进而引起机床热误差的产生。

研究机床热误差的产生原因及补偿办法，有助于提高机床加工精度，保证加工质量，提高生产效率。

在实际生产中，采取有效的补偿措施可以减小机床热误差对加工精度的影响，提高机床的加工稳定性和可靠性。

深入研究机床热误差的产生原因及常用补偿办法具有重要的理论和实践意义，可以为数控加工领域的发展提供技术支撑和参考依据。

1.2 研究意义机床热误差是影响机床加工精度的重要因素之一，研究机床热误差的产生原因及补偿办法具有重要的理论和实际意义。

了解机床热误差产生的原因可以帮助我们更深入地理解机床加工过程中出现的误差，为准确控制机床精度提供理论基础。

通过采取有效的补偿办法来消除或减小机床热误差，可以提高机床加工精度，降低生产成本，提高生产效率，提高产品质量，从而增强企业在市场竞争中的优势。

深入研究机床热误差产生原因和补偿办法具有重要的理论意义和实际应用价值，有助于推动我国机床制造业技术水平的提升，促进制造业的发展和经济的繁荣。

机械结构热变形分析与优化设计随着经济的发展和科技的进步，机械结构在现代工业生产中发挥着重要作用。

然而，由于机械结构在运行过程中会受到高温的影响，因此热变形问题是一项需要重视的技术挑战。

本文将探讨机械结构热变形的原因、分析方法以及如何通过优化设计来解决这一问题。

热变形是由于温度的变化引起的材料体积的变化。

当机械结构暴露在高温环境下时，其内部材料会受到热膨胀的影响，从而导致结构的尺寸变化。

这种尺寸变化可能会对机械结构的稳定性和性能产生重大影响，甚至造成结构的失效。

为了预测机械结构在高温环境下的热变形情况，工程师们通常使用有限元分析方法。

有限元分析是一种数值计算方法，通过将结构分解为离散的有限元素，然后利用数学模型计算每个元素的应力和变形，最终得出整个结构的应力和变形情况。

对于机械结构热变形分析来说，有限元分析是一种非常有效的方法。

在进行机械结构热变形分析时，需要考虑以下几个因素：材料的热膨胀系数、结构的几何形状、边界条件和温度分布等。

首先，材料的热膨胀系数代表了材料在温度变化时的膨胀程度。

不同的材料具有不同的热膨胀系数，对于机械结构的热变形分析来说，选择适合的材料是非常重要的。

其次，结构的几何形状也会对热变形产生影响。

一般来说，结构的几何形状越复杂，其热变形的影响就越大。

因此，在进行优化设计时，需要考虑结构的几何形状对热变形的敏感度，从而寻找到最佳的结构形态。

另外，边界条件和温度分布也是进行热变形分析的重要因素。

边界条件包括结构的固定边界和加载边界，它们会影响结构的约束条件，从而影响结构的热变形。

温度分布则决定了结构内部的温度变化情况，不同的温度分布会导致不同的热变形结果。

在进行机械结构的优化设计时，可以考虑以下几个方面：一是材料的选择，选择具有较低热膨胀系数的材料，以减小结构的热变形。

二是优化结构的几何形状，通过调整结构的尺寸和形状，来减小热变形的影响。

三是优化边界条件和温度分布，通过调整结构的约束条件和控制温度分布，来降低热变形的程度。