熱變形全解析:原因、影響與有效預防對策
2025.7.31
機床運行時,機械內部和工件會產生熱量。這些熱量可能成為導致機床和工具尺寸發生 “熱變形” 的原因。熱變形的影響較大,可能導致加工精度下降和意想不到的成本增加。本文將結合日常可行的對策,講解熱變形的概要。
熱變形是什么?
熱變形是指因機床溫度變化導致機械尺寸或性能發生改變的現象,在機床運行時會發生。
從尺寸變化來看,在多數情況下,熱變形量微小。然而,在零部件制造領域,常常會面臨高精度的加工要求。盡管徹底防止熱變形的發生非常困難,但可以通過充足的預防措施,將熱變形帶來的影響降至最低限度。
熱變形帶來的影響
熱變形可能引發以下問題。
加工產品尺寸變化
加工產品尺寸可能發生改變,進而導致加工品質下降。
例如,鐵的溫度每升高1℃,長度約膨脹10μm(0.01mm)。以1m長的鐵為例,溫度變化10℃時,尺寸將變化約 100μm(0.1mm)。
無法精準定位
熱變形會導致機床本身的尺寸發生變化,例如,滾珠絲杠因溫度變化伸縮、鑄件形狀改變等。這會造成刀具與工件的相對位置偏移,可能有加工精度出現偏差的風險。
成本增加
將熱變形對加工的影響降至最低,有助于減少加工不良品的產生。一旦產生不良品,不僅會增加材料成本和人工成本,且會耗費額外時間。
尤其是在連續運轉過程中,若產生加工不良品且未及時發現,可能造成較大損失。故此,能否及時察覺熱變形對加工精度的影響,潛在影響企業的制造成本。
熱變形發生的原因
熱變形的發生并非單一因素所致,為了更全面做好日常預防,需充分了解以下三類原因。
機床內部發熱
第一類原因是機床內部產生的熱量。
機床加工時,主軸、驅動部件、軸承、電機齒輪等部件因摩擦會產生熱量,這些部件溫度升高后,熱量會傳導至零部件和結構體,進而成為熱變形的誘因。
機床啟動初期溫度上升尤為明顯,因此從啟動開始連續運行時更容易發生熱變形。
加工過程中產生的熱
第二類原因是加工過程中產生的熱量。
切削工具接觸工件進行切削的位置稱為“切削點”,當機床運行時,切削點會產生切削熱。此外而且,切削熱會導致機床內切削油(冷卻液)溫度變化,這些均可能引發熱變形。
除此之外,加工過程中產生的切屑以及工件散發的加工熱,同樣會促使機床溫度升高,最終也可能導致熱變形的發生。
機床安裝場所的溫度
第三類原因是來自機床的安裝環境。
隨著時間和季節變化,安裝機床的房間溫度會發生波動,這種溫度變化會使機床內部零部件和結構體膨脹或收縮,進而可能引發熱變形。
日光、照明設備、空調等產生的輻射熱也不容忽視。此外,若機床靠近頻繁開關的門窗,局部空氣流動頻繁,可能導致局部溫度波動,同樣容易引發熱變形。
熱變形的測量方法
判斷是否發生熱變形,可通過測量已加工工件來實現。常見方法是從機床取下工件后,使用測量工具進行的 “機外測量”,即加工后的工件從機床取下后,使用游標卡尺、千分尺、三坐標測量機等,進行人工測量。
但這種方法需要大量時間和人力,且可能因檢測人員的操作方法或力度差異產生人為誤差。由于是加工后測量,若已產生不良品,可能需要進行大量復檢。因此,應重視事前預防,不能過度依賴機外測量。
防止熱變形的方法
日常通過采取以下對策,可有效減輕熱變形的影響。如有尚未嘗試的措施,建議積極采用:
預熱運行后再使用
機床運行前,建議先進行預熱運行。預熱運行可通過低負荷運轉促進機械零部件之間的磨合,使各部件運行順暢可靠。提前進行預熱有助于機床發揮最佳性能,更易于實現穩定加工。預熱時間通常由各廠商規定,建議在企業內部確認具體標準。
但需注意,預熱運行期間仍會消耗電力。在當今強調環保和縮短制造時間的背景下,需合理控制預熱時間,避免資源浪費。
保持機床安裝場所室溫恒定
維持機床安裝環境的穩定性也很重要。建議使用空調等設備保持室溫全年恒定,理想狀態是將全年的室溫控制在24℃左右。
此外,機床的安裝位置也需注意。避免受空調風直吹,盡量選擇房間內溫度均勻的最佳位置。
使用搭載熱變形補償功能的機床
近年來,搭載熱變形控制功能的機床逐漸普及,這也不失為一種有效方法。熱變形控制功能通過機床內的溫度傳感器測量溫度,預測到可能發生熱變形時會自動修正定位。例如,兄弟機床的“SPEEDIO”加工中心即搭載了熱變形自動補償系統。
及時清除切屑
加工后產生的切屑需及時清理。鐵屑本身帶有熱量,若長時間堆積,熱量會傳導至機床,可能引發熱變形。
尤其在連續運行可能產生大量切屑的情況下,需特別注意及時清除。若無法立即清理,可采取措施避免切屑集中堆積在同一位置,這也能在一定程度上防止熱變形。
定期維護保養
定期對機床進行維護保養有助于及時消除可能導致熱變形的隱患。例如,每日檢查潤滑油和冷卻油的剩余量,做好日常點檢。具體點檢項目可參考廠商提供的維護手冊。
企業可制定維護檢查表并放置于多個點位,幫助現場操作人員在確認的同時完成維護,便于定期檢查。此外,定期維護還有助于延長機床使用壽命。
熱變形需事前預防
從數值上看,熱變形引起的膨脹或收縮似乎微不足道,但在要求高精度加工的零部件制造中,潛在對成本造成重大影響。
熱變形雖無法完全避免,但通過日常室溫管理、設備點檢等措施,實施有效的預防對策,可大幅降低其影響。