熱變形是什么？

熱變形是指因機(jī)床溫度變化導(dǎo)致機(jī)械尺寸或性能發(fā)生改變的現(xiàn)象，在機(jī)床運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)生。

從尺寸變化來看，在多數(shù)情況下，熱變形量微小。然而，在零部件制造領(lǐng)域，常常會(huì)面臨高精度的加工要求。盡管徹底防止熱變形的發(fā)生非常困難，但可以通過充足的預(yù)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(fā)以下問題。

加工產(chǎn)品尺寸變化

加工產(chǎn)品尺寸可能發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致加工品質(zhì)下降。

例如，鐵的溫度每升高1℃，長(zhǎng)度約膨脹10μm（0.01mm）。以1m長(zhǎng)的鐵為例，溫度變化10℃時(shí)，尺寸將變化約 100μm（0.1mm）。

無法精準(zhǔn)定位

熱變形會(huì)導(dǎo)致機(jī)床本身的尺寸發(fā)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(huì)造成刀具與工件的相對(duì)位置偏移，可能有加工精度出現(xiàn)偏差的風(fēng)險(xiǎn)。

成本增加

將熱變形對(duì)加工的影響降至最低，有助于減少加工不良品的產(chǎn)生。一旦產(chǎn)生不良品，不僅會(huì)增加材料成本和人工成本，且會(huì)耗費(fèi)額外時(shí)間。

尤其是在連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，若產(chǎn)生加工不良品且未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，可能造成較大損失。故此，能否及時(shí)察覺熱變形對(duì)加工精度的影響，潛在影響企業(yè)的制造成本。

熱變形發(fā)生的原因

熱變形的發(fā)生并非單一因素所致，為了更全面做好日常預(yù)防，需充分了解以下三類原因。

機(jī)床內(nèi)部發(fā)熱

第一類原因是機(jī)床內(nèi)部產(chǎn)生的熱量。

機(jī)床加工時(shí)，主軸、驅(qū)動(dòng)部件、軸承、電機(jī)齒輪等部件因摩擦?xí)a(chǎn)生熱量，這些部件溫度升高后，熱量會(huì)傳導(dǎo)至零部件和結(jié)構(gòu)體，進(jìn)而成為熱變形的誘因。

機(jī)床啟動(dòng)初期溫度上升尤為明顯，因此從啟動(dòng)開始連續(xù)運(yùn)行時(shí)更容易發(fā)生熱變形。

加工過程中產(chǎn)生的熱

第二類原因是加工過程中產(chǎn)生的熱量。

切削工具接觸工件進(jìn)行切削的位置稱為“切削點(diǎn)”，當(dāng)機(jī)床運(yùn)行時(shí)，切削點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生切削熱。此外而且，切削熱會(huì)導(dǎo)致機(jī)床內(nèi)切削油（冷卻液）溫度變化，這些均可能引發(fā)熱變形。

除此之外，加工過程中產(chǎn)生的切屑以及工件散發(fā)的加工熱，同樣會(huì)促使機(jī)床溫度升高，最終也可能導(dǎo)致熱變形的發(fā)生。

機(jī)床安裝場(chǎng)所的溫度

第三類原因是來自機(jī)床的安裝環(huán)境。

隨著時(shí)間和季節(jié)變化，安裝機(jī)床的房間溫度會(huì)發(fā)生波動(dòng)，這種溫度變化會(huì)使機(jī)床內(nèi)部零部件和結(jié)構(gòu)體膨脹或收縮，進(jìn)而可能引發(fā)熱變形。

日光、照明設(shè)備、空調(diào)等產(chǎn)生的輻射熱也不容忽視。此外，若機(jī)床靠近頻繁開關(guān)的門窗，局部空氣流動(dòng)頻繁，可能導(dǎo)致局部溫度波動(dòng)，同樣容易引發(fā)熱變形。

熱變形的測(cè)量方法

判斷是否發(fā)生熱變形，可通過測(cè)量已加工工件來實(shí)現(xiàn)。常見方法是從機(jī)床取下工件后，使用測(cè)量工具進(jìn)行的 “機(jī)外測(cè)量”，即加工后的工件從機(jī)床取下后，使用游標(biāo)卡尺、千分尺、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等，進(jìn)行人工測(cè)量。

但這種方法需要大量時(shí)間和人力，且可能因檢測(cè)人員的操作方法或力度差異產(chǎn)生人為誤差。由于是加工后測(cè)量，若已產(chǎn)生不良品，可能需要進(jìn)行大量復(fù)檢。因此，應(yīng)重視事前預(yù)防，不能過度依賴機(jī)外測(cè)量。

防止熱變形的方法

日常通過采取以下對(duì)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(yù)熱運(yùn)行后再使用

機(jī)床運(yùn)行前，建議先進(jìn)行預(yù)熱運(yùn)行。預(yù)熱運(yùn)行可通過低負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)促進(jìn)機(jī)械零部件之間的磨合，使各部件運(yùn)行順暢可靠。提前進(jìn)行預(yù)熱有助于機(jī)床發(fā)揮最佳性能，更易于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定加工。預(yù)熱時(shí)間通常由各廠商規(guī)定，建議在企業(yè)內(nèi)部確認(rèn)具體標(biāo)準(zhǔn)。

但需注意，預(yù)熱運(yùn)行期間仍會(huì)消耗電力。在當(dāng)今強(qiáng)調(diào)環(huán)保和縮短制造時(shí)間的背景下，需合理控制預(yù)熱時(shí)間，避免資源浪費(fèi)。

保持機(jī)床安裝場(chǎng)所室溫恒定

維持機(jī)床安裝環(huán)境的穩(wěn)定性也很重要。建議使用空調(diào)等設(shè)備保持室溫全年恒定，理想狀態(tài)是將全年的室溫控制在24℃左右。

此外，機(jī)床的安裝位置也需注意。避免受空調(diào)風(fēng)直吹，盡量選擇房間內(nèi)溫度均勻的最佳位置。

使用搭載熱變形補(bǔ)償功能的機(jī)床

近年來，搭載熱變形控制功能的機(jī)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(jī)床內(nèi)的溫度傳感器測(cè)量溫度，預(yù)測(cè)到可能發(fā)生熱變形時(shí)會(huì)自動(dòng)修正定位。例如，兄弟機(jī)床的“SPEEDIO”加工中心即搭載了熱變形自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)。

及時(shí)清除切屑

加工后產(chǎn)生的切屑需及時(shí)清理。鐵屑本身帶有熱量，若長(zhǎng)時(shí)間堆積，熱量會(huì)傳導(dǎo)至機(jī)床，可能引發(fā)熱變形。

尤其在連續(xù)運(yùn)行可能產(chǎn)生大量切屑的情況下，需特別注意及時(shí)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(hù)保養(yǎng)

定期對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)有助于及時(shí)消除可能導(dǎo)致熱變形的隱患。例如，每日檢查潤(rùn)滑油和冷卻油的剩余量，做好日常點(diǎn)檢。具體點(diǎn)檢項(xiàng)目可參考廠商提供的維護(hù)手冊(cè)。

企業(yè)可制定維護(hù)檢查表并放置于多個(gè)點(diǎn)位，幫助現(xiàn)場(chǎng)操作人員在確認(rèn)的同時(shí)完成維護(hù)，便于定期檢查。此外，定期維護(hù)還有助于延長(zhǎng)機(jī)床使用壽命。

熱變形需事前預(yù)防

從數(shù)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(duì)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(shè)備點(diǎn)檢等措施，實(shí)施有效的預(yù)防對(duì)策，可大幅降低其影響。