如何防止机床热移动？优化设计提高精度

图2.9.1 使用油淋浴法的超精密车床

设计机械时，应把机械内部热源发生的热量尽量排出体外。例如，磨削加工时加以大量磨削液而将热量带出体外就是一例。但一般情况下，并没有控制磨削液温度，热变形也就无法控制。如果想设计出高精度加工机械，就必须设计热交换机（冷冻机），采用温度经高精度控制的磨削液（切削油剂亦同）。

图2.9.1所示为布里昂（Bryan）等人把电动机（热源之一）从机械（超精密车床）分离，把一定温度的油浇在机械上，用油来带走其他热源的热。这个方式的关键在于流体的温度要严格保持一致。流体的温度一变动则失去意义。使用保持流体温度为一定的控制技术的重要之处在于热交换机冷却一侧的温度，该温度为“温度基准”而必须保持一定值。图2.9.1中的例子，冷却水温度控制系统保持在（50±1）℉。这样一来，次级的油温保持在（68±0.01）℉[（20±0.006）℃]。再者，即使机械的发生热量再大，加上充分容量的流体以使机械的重要部分的温度变化在许可值以下。图2.9.1所示车床系统中油以40gal/min（15L/min）的流量流动。

在高精度机械中，静压轴承因其容易实现高的旋转精度而被广泛使用。静压轴承一般使用油或者空气作为流体，而用油可以使轴承的柔度变小。但是，用油作为轴承流体，油受剪断作用使黏性变高而发热，发热使油温和轴、轴承的温度上升产生热变形。因此，用油的静压轴承油的温度管理很重要。若油的温度不能严格控制，高精度机械是不能实现的。

把热尽快且充分地排出机外，还有一个好的例子是安田工业的机床设计。

如图2.9.2所示，第一对策润滑油兼做冷却油，把主轴头及滚珠丝杠用轴承的热排去，进一步通过冷却装置将这个热转移排出机外。因此，主轴和滚珠丝杠的热变形可以控制在最小限度。在此过程中，冷却油在主轴头里不存留而迅速回收到外部油箱里。与此同时，在冷却装置冷却的回油温度变化控制在±1℃以内。

图2.9.2 安田工业加工中心的热对策（主轴头部和滚珠丝杠的冷却）(www.xing528.com)

安田工业的工作机械还有一个热对策是把主轴电动机用不锈钢制遮热筒覆盖，电动机的辐射热传向圆筒等以防止热变形。在筒中由强制冷空气将电动机产生的热向机外排出。

由以上的对策，将机械的主要部分（主轴和主轴头）的热变形控制至最小，以实现机械的高精度化。

还有一个例子，前面已介绍过的美国罗勒斯立巴莫亚国立研究所开发的大型光学钻石车床（LODTM），为了排除由热而产生的误差，并加以细致的设计，LODTM用盖子覆盖，其内部的空气温度保持在（20±0.010）℃。LODTM的计测框架由超级殷钢（铁镍合金）构成。该计测框架的四周用中空的壳包围，在壳中流有温度为（20±0.001）℃的水，主轴轴承的外壳装有流有对温度加以正确控制的水的冷却水路，这样将轴承的热在引起重大变形前除去。这样设计的效果是24h内由于热变形而产生的最大移位不到23nm。

由以上所述，得到下面两条：

【系2】机械内部发生的热必须迅速排出机外。

【系3】作为除去机械内部发生热的手段的流体温度必须为定值。

热的传播路径有：一种是热传达，包括热传导（固体和液体间的热移动）；另一种是热辐射。上述安田工业的机械例子，第一对策是以除去由热传导传播的热为目的，第二点是以防止由热辐射传播的热为目的。辐射热常被忽视因此必须注意。照明等的热辐射、机械旁站立的人的热辐射都属于热辐射的范围，必须注意有超过许可值的温度变化的可能。