热变形全解析：原因、影响与有效预防对策

热变形是什么？

热变形是指因机床温度变化导致机械尺寸或性能发生改变的现象，在机床运行时会发生。

从尺寸变化来看，在多数情况下，热变形量微小。然而，在零部件制造领域，常常会面临高精度的加工要求。尽管彻底防止热变形的发生非常困难，但可以通过充足的预防措施，将热变形带来的影响降至最低限度。

热变形带来的影响

热变形可能引发以下问题。

加工产品尺寸变化

加工产品尺寸可能发生改变，进而导致加工品质下降。

例如，铁的温度每升高1℃，长度约膨胀10μm（0.01mm）。以1m长的铁为例，温度变化10℃时，尺寸将变化约 100μm（0.1mm）。

无法精准定位

热变形会导致机床本身的尺寸发生变化，例如，滚珠丝杠因温度变化伸缩、铸件形状改变等。这会造成刀具与工件的相对位置偏移，可能有加工精度出现偏差的风险。

成本增加

将热变形对加工的影响降至最低，有助于减少加工不良品的产生。一旦产生不良品，不仅会增加材料成本和人工成本，且会耗费额外时间。

尤其是在连续运转过程中，若产生加工不良品且未及时发现，可能造成较大损失。故此，能否及时察觉热变形对加工精度的影响，潜在影响企业的制造成本。

热变形发生的原因

热变形的发生并非单一因素所致，为了更全面做好日常预防，需充分了解以下三类原因。

机床内部发热

第一类原因是机床内部产生的热量。

机床加工时，主轴、驱动部件、轴承、电机齿轮等部件因摩擦会产生热量，这些部件温度升高后，热量会传导至零部件和结构体，进而成为热变形的诱因。

机床启动初期温度上升尤为明显，因此从启动开始连续运行时更容易发生热变形。

加工过程中产生的热

第二类原因是加工过程中产生的热量。

切削工具接触工件进行切削的位置称为“切削点”，当机床运行时，切削点会产生切削热。此外而且，切削热会导致机床内切削油（冷却液）温度变化，这些均可能引发热变形。

除此之外，加工过程中产生的切屑以及工件散发的加工热，同样会促使机床温度升高，最终也可能导致热变形的发生。

机床安装场所的温度

第三类原因是来自机床的安装环境。

随着时间和季节变化，安装机床的房间温度会发生波动，这种温度变化会使机床内部零部件和结构体膨胀或收缩，进而可能引发热变形。

日光、照明设备、空调等产生的辐射热也不容忽视。此外，若机床靠近频繁开关的门窗，局部空气流动频繁，可能导致局部温度波动，同样容易引发热变形。

热变形的测量方法

判断是否发生热变形，可通过测量已加工工件来实现。常见方法是从机床取下工件后，使用测量工具进行的 “机外测量”，即加工后的工件从机床取下后，使用游标卡尺、千分尺、三坐标测量机等，进行人工测量。

但这种方法需要大量时间和人力，且可能因检测人员的操作方法或力度差异产生人为误差。由于是加工后测量，若已产生不良品，可能需要进行大量复检。因此，应重视事前预防，不能过度依赖机外测量。

防止热变形的方法

日常通过采取以下对策，可有效减轻热变形的影响。如有尚未尝试的措施，建议积极采用：

预热运行后再使用

机床运行前，建议先进行预热运行。预热运行可通过低负荷运转促进机械零部件之间的磨合，使各部件运行顺畅可靠。提前进行预热有助于机床发挥最佳性能，更易于实现稳定加工。预热时间通常由各厂商规定，建议在企业内部确认具体标准。

但需注意，预热运行期间仍会消耗电力。在当今强调环保和缩短制造时间的背景下，需合理控制预热时间，避免资源浪费。

保持机床安装场所室温恒定

维持机床安装环境的稳定性也很重要。建议使用空调等设备保持室温全年恒定，理想状态是将全年的室温控制在24℃左右。

此外，机床的安装位置也需注意。避免受空调风直吹，尽量选择房间内温度均匀的最佳位置。

使用搭载热变形补偿功能的机床

近年来，搭载热变形控制功能的机床逐渐普及，这也不失为一种有效方法。热变形控制功能通过机床内的温度传感器测量温度，预测到可能发生热变形时会自动修正定位。例如，兄弟机床的“SPEEDIO”加工中心即搭载了热变形自动补偿系统。

及时清除切屑

加工后产生的切屑需及时清理。铁屑本身带有热量，若长时间堆积，热量会传导至机床，可能引发热变形。

尤其在连续运行可能产生大量切屑的情况下，需特别注意及时清除。若无法立即清理，可采取措施避免切屑集中堆积在同一位置，这也能在一定程度上防止热变形。

定期维护保养

定期对机床进行维护保养有助于及时消除可能导致热变形的隐患。例如，每日检查润滑油和冷却油的剩余量，做好日常点检。具体点检项目可参考厂商提供的维护手册。

企业可制定维护检查表并放置于多个点位，帮助现场操作人员在确认的同时完成维护，便于定期检查。此外，定期维护还有助于延长机床使用寿命。

热变形需事前预防

从数值上看，热变形引起的膨胀或收缩似乎微不足道，但在要求高精度加工的零部件制造中，潜在对成本造成重大影响。

热变形虽无法完全避免，但通过日常室温管理、设备点检等措施，实施有效的预防对策，可大幅降低其影响。