三、机床热变形的控制

  由以上分析讨论，机床的温升和热变形对加工精度的影响因素多种多样，采取控制措施时，应抓住主要矛盾，重点采取一、二项措施，取得事半功倍的效果。在设计中应从4个方向入手：减少发热，降低温升，结构平衡，合理冷却。

  1、减少发热

  控制热源是根本的措施。在设计中要采取措施有效降低热源的发热量。

  (1)合理选取电动机的额定功率。

  电动机的输出功率P等于电压V和电流I的乘积，一般情况下，电压V是恒定的，因此，负荷的增大，意味着电动机输出功率增大，即相应的电流I也增大，则电流消耗在电枢阻抗的热量增大。若我们所设计选择的电动机长时间在接近或大大超过额定功率的条件下工作，则电动机的温升明显增大。为此，对BK50型数控针槽铣床铣头进行了对比试验(电动机转速：960r/min；环境温度：12℃)。

  从上述试验得到以下概念：从热源性能考虑，无论主轴电动机还是进给电动机，选择额定功率时，最好选比计算功率大25%左右为宜，在实际运行中，电动机的输出功率与负荷相匹配，增大电动机额定功率对于能耗的影响很小。但可有效降低电动机温升。

  (2)结构上采取适当措施，减小二次热源的发热量，降低温升。

  例如：主轴结构设计时，应提高前后轴承的同轴度，采用高精度轴承。在可能的条件下，将滑动导轨改为直线滚动导轨，或采用直线电动机。这些新技术都可以有效地减小摩擦、减少发热、降低温升。

  (3)在工艺上，采用高速切削。基于高速切削的机理。

  当金属切削的线速度高于一定范围时，被切削金属来不及产生塑性变形，切屑上不产生变形热，切削能量大多数转化为切屑动能被带走。

  2、结构平衡，以降低热变形

  在机床上，热源是永远存在的，进一步需要关注的是如何让热传递方向和速度有利于减少热变形。或者结构又有很好的对称性，使热传递经沿对称方向，使温度分布均匀，变形互相抵消，成为热亲和结构。

  (1)预应力和热变形。

  在较高速的进给系统中，往往采用滚珠丝杠两端轴向固定，形成预拉伸应力。这种结构对高速进给来说，除了提高动静态稳定性外，对于降低热变形误差具有明显作用。

  在全长600mm内预拉伸35m的轴向固定结构在不同的进给速度下温升比较接近。两端固定预拉伸结构的累积误差明显小于单端固定另一端自由伸长的结构。在两端轴向固定预拉伸结构中，发热引起的温升主要是改变丝杠内部的应力状态由拉应力变为零应力或压应力。因此对位移精度影响较小。

  (2)改变结构，改变热变形方向。

  采用不同滚珠丝杠轴向固定结构的数控针槽铣床Z轴主轴滑座在加工中要求铣槽深度误差5m。采用丝杠下端轴向浮动结构，在加工2h内，槽深逐渐加深从0到0.045mm。反之，采用丝杠上端浮动的结构，则能确保槽深变化。

  (3)机床结构几何形状的对称，可令热变形走向一致，使刀尖点的漂移尽量减小。

  例如，日本安田(Yasda)精密工具公司推出的YMC430微加工中心是亚微米高速加工机床，机床的设计对热性能进行了充分的考虑。

  首先在机床结构上采取完全对称布局，立柱和横梁是一体化结构，呈H型，相当于双立柱结构，具有良好的对称性。近似圆形的主轴滑座无论在纵向还是横向也都是对称的。

  3个移动轴的进给驱动均采用直线电动机，结构上更加容易实现对称性，2个回转轴采用直接驱动，尽量减少机械传动的摩擦损耗和。

  3、合理的冷却措施

  (1)加工中的冷却液对加工精度的影响是直接的。

  对GRV450C型双端面磨床进行了对比试验。试验表明：借助制冷机对冷却液进行热交换处理，对提高加工精度非常有效。

  使用传统的冷却液供给方式，30min后，工件尺寸就超差。采用制冷机后，可以正常加工到70min以上。在80min时工件尺寸超差的主要原因是砂轮需修整(去除砂轮面上的金属屑)，修整后马上即可回复原来的加工精度。效果非常明显。同样，对于主轴的强迫冷却也能期望得到非常好的效果。

  (2)增加自然冷却面积。

  例如在主轴箱体结构上添加自然风冷却面积，在空气流通较好的车间内，也能起到很好的散热效果。

  (3)及时自动排屑。

  及时或实时将高温切屑排出工件、工作台及刀具部分，将十分有利于减少关键部分的温升和热变形。