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卧式加工机床的温升及温度分布

2023-10-27 10:41:46

  1、自然气候影响
  中国幅员辽阔,大部分地区位于亚热带。一年四季气温变化很大,一天温差变化不一。这样一来,人们对室内(如车间)温度的干预方式和程度也不同,机床周围的温度氛围也大相径庭。
  比如长三角地区,季节温差在45℃左右,昼夜温差在5 ~ 12℃左右。机加工车间一般冬天没有暖气,夏天没有空调,但只要车间通风良好,机加工车间的温度梯度变化不大。在东北地区,季节温差可达60℃,昼夜温差约为8 ~ 15℃。采暖期为10月底至次年4月初。机加工车间的设计有暖气,空气流通不充分。车间内外温差可达50℃。因此,冬季车间内的温度梯度非常复杂。测量时室外温度为1.5℃,时间为上午8:15-8:35,车间内温度变化约为3.5℃。在这样的车间里,机床的加工精度会受到环境温度的很大影响。
  2、周围环境的影响
  机床周围的环境是指机床近距离范围内各种布局形成的热环境。它们包括以下三个方面。
  1)车间微气候:如车间内的温度分布(垂直方向和水平方向)。当昼夜交替或气候、通风发生变化时,车间温度会缓慢变化。
  2)车间热源:如太阳辐射、加热设备辐射、大功率照明等。,当它们靠近机床时,可长时间直接影响机床整体或部分零件的温升。相邻设备运行时产生的热量会通过辐射或气流影响机床的温升。
  3)散热:基础具有良好的散热功能,尤其是机床的基础不宜靠近地下供热管道,一旦破裂泄漏可能成为难以发现的热源;开放式的车间会是很好的“散热器”,有利于车间的温度平衡。
  4)恒温:车间内采用恒温设施,对于保持机床的精度和加工精度非常有效,但要消耗大量的能源。
  3.机床内部热影响因素
  1)机床的结构热源。电机发热,如主轴电机、进给伺服电机、冷却润滑泵电机、电控箱等。,可以产生热量。这些情况对电机本身是允许的,但对主轴、滚珠丝杠等部件有很大的不利影响,应采取措施加以隔离。当输入的电能驱动电机运转时,除了一小部分(约20%)转化为电机热能外,大部分都会被运动机构转化为动能,如主轴旋转、工作台运动等。但不可避免的是,其中相当一部分会在运动过程中转化为摩擦发热,比如轴承、导轨、滚珠丝杠、传动箱的发热。

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  2)切削过程中的热量。在切削过程中,刀具或工件的一部分动能被切削功消耗,其中相当一部分转化为切削的变形能和切屑与刀具之间的摩擦热,导致刀具、主轴和工件的发热,这些热量由大量的切屑传导到工作台夹具和机床的其他部件。它们将直接影响刀具和工件之间的相对位置。
  3)冷却。冷却是防止机床温度升高的对策,如电机冷却、主轴部件冷却和基础设施部件冷却。机床往往在电控箱上配备冰箱进行强制冷却。
  4.机床结构对温升的影响。
  在机床热变形领域,讨论的是机床的结构形式,通常指的是结构形式、质量分布、材料性能和热源分布。结构形状影响温度分布、热传导方向、热变形方向和机床匹配。
  1)机床的结构。从整体结构上看,机床有立式、卧式、龙门式和悬臂式,热响应和稳定性差异较大。比如一台变速车床的主轴箱温升可以高达35℃,这样主轴端才能抬起来,热平衡时间需要2小时左右。倾斜床身车铣加工中心有稳定的底座。整机刚度明显提高。主轴由伺服电机驱动,去掉齿轮传动部分,其温升一般小于15℃。
  2)热源分布的影响。一般认为热源是指机床上的电机。比如主轴电机,进给电机,液压系统,其实都是不完整的。电机的发热只是电枢阻抗上的电流在承受负载时消耗的能量,还有相当一部分能量是轴承、螺母、导轨摩擦工作产生的热量消耗的。所以电机可以称为一次热源,轴承、螺母、导轨、芯片可以称为二次热源。热变形是所有这些热源综合影响的结果。
  立柱移动式立式加工中心Y轴进给时的温升和变形。工作台在Y方向进给时不移动,所以对X方向的热变形影响很小。在立柱上,离Y轴丝杠越远,温升越小。
  机床在Z轴上的运动进一步说明了热源分布对热变形的影响。Z轴进给距离X方向较远,所以热变形的影响较小。立柱离Z轴电机螺母越近,温升和变形越大。
  3)质量分布的影响。质量分布对机床热变形的影响有三个方面。一是指质量的大小和浓度,通常指改变热容量和传热速度,改变达到热平衡的时间;其次,通过改变质量的排列方式,如各种加强筋的排列方式,提高结构的热刚度,降低热变形的影响或在相同温升下保持较小的相对变形;第三,是指通过改变质量布置的形式来降低机床部件的温升,比如在结构外部布置散热筋。
  4)材料性质的影响:不同的材料具有不同的热性能参数(比热、导热系数、线膨胀系数),在同一热量的影响下,其温升和变形是不同的。

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