关于热胀冷缩现象和对热变形的控制和应用

关于热胀冷缩现象和对热变形的控制和应用

胡鹏浩教授

姓名：蔡学超学号：班级：测控09-2班

冬天水管破裂；有时候夏天路面会向上拱起,就是路面膨胀...(所以路面每隔一段距离都有空隙留着)；买来的罐头很难打开；高压电线夏天下垂多，冬天绷的较紧；神气的热气球。这些都是生活中常见的现象，我们习惯上把他们称之为热胀冷缩现象，那么是什么原因产生的呢？

这是因为当物质的温度升高时，它內部的分子会振动得更快，振动得更远，这些效应会使得物质膨胀。同理，当温度下降时，物质内部分子会振动得较慢，且振动距离更短，这使得物质收缩。除了少数例外（譬如水在密度最大，体积最小），大多数物质，包括固体、液体及气体都是热胀冷缩的.

机床在工作中受到多种热源的影响，热源产生的热量通过各种不同的方式传递给机床造成床身翘曲、导轨弯曲等，即机床热变形，比如：(1)电动机、油泵等饥械动力源在执转能量换的过程中，由于内部摩擦等因素导致能量损耗并转换成热。这些热量通过传动件、压力油、空气等传递到机床上；(2)电气箱、各种阀件、液压操纵箱、活塞副等由于频繁启用，都会有不同程度的发热，并不同程度地将热量传递到机床上；(3)轴承副、齿轮副、导轨副、离合器等运动件在运动时因摩擦而发热，这些热量通过润滑油传递，特别是床身内部的润滑油池，会形成一个很大的热源；(4)在切削中，由于材料形状的变

化而产生切削热，这部分热量由切屑和润滑液传递到机床上，其中60％以上的热量直接传递给了床身；(5)环境因素的影响，如季节的变化、阳光的照射、取暖装置的启用等，都会使机床各部分受热不均匀而引起变形。

机床热变形对机床加工的影响集中体现在加工精度方面，包括机床的几何精度和定位精度，并从3个方面体现出来。

(1)线性位移变化由于热量扩散后造成机床主轴在不同方向上移动，从而破坏了机床安装调试的精度。同时，也造成工作台上的不同位置也有不同的位置变化，导致工件尺寸出现误差。

(2)角度变化热变形引起机床主轴角度位置变化，或者工作台相对于主轴轴线出现角位移，导致主轴轴线相对于工作台的平行度或垂直度变化，造成加工表面对基准的不平行或不垂直。

(3)部件直线度变化热变形引起工作台部件运动平面的弯曲，或者引起导轨弯曲，导致运动部件移动时出现直线度误差。

既然热变形会对机床造成如此大的误差（普通机床加工是半精加工，表面粗糙度都要达到~μm，至于精密，超精密机床，对精度的要求就更高了）所以要减少热变形对机床的影响。

大部分的制造商和工厂都会采用这么三种方案：热误差补偿技术；温度控制；热态特性优化设计。

(1)热误差补偿技术通过传感器对机床在线采集数据(如热位移或温度)，进行A／D转换，再经过已经建立的热误差模型对误差进行预测，然后进行补偿。但热补偿方法也有其缺点，如在进行数据采集

的时候，由于传感器精度及其它原因的干扰，使得采集的数据可能失真，这样就会对补偿结果造成影响。

(2)温度控制：在机床构件(如立柱、床身)的一定位置布置加热元件或冷却系统，实现温度场的均衡，减少热误差。对机床的内热源强制冷却，是历来采用较多的措施之一，特别是对机床的主要热源产生地和影响加工精度的关键部件——主轴系统，应用尤其广泛。利用辅助人工热源，也可以对机床热变形进行矫正。浙江大学和武汉重型机床厂联合开发了应用于重型机床的热监控系统，来控制机床的热变形，取得了较好的效果。这种方法由于其控制得较精确，所以很受欢迎。

(3)热态特性优化设计：热态特性优化设计，就是在一定热源作用下，从形状优化和参数优化出发，寻求合理的温度分布和刚度分布，控制机床结构的热位移，保证加工精度。即把最影响加工精度的零件配置在热对称面上，就能大大改善热变形所引起的加工精度不良的状况。

在优化设计中，结构热对称设计是减少机床热变形对加工精度不良影响最有效的方法之一。

目前，对于热误差补偿技术和温度控制法，一般在机床设计完成后进行研究，大都应用于精密、超精密机床。而对于热态优化设计方法，一般用在机床设计阶段，通过对设计方案进行虚拟评价来确定较优的设计方案，从而减少了后期大量的实验研究和样机试制的投入资金，同时也缩短了开发周期。

我们学校的费业泰教授带领的团队，包括我们的胡教授在对热机的变形控制研究做得也很不错，值得我们骄傲。

以上是在生产中对于热变形的控制，但是并不是所有的热变形都是要进行消除的，也有要进行应用的。

比如：修公路的时候要每隔一段距离都有空隙留着；罐头厂出产的罐头很难打开，用开水微热一下就可以比较简单地打开了；我们伟大的祖先在很早的时候就发明了孔明灯；还有热继电器中用到的那两种不同材料的金属片，当他们受热过多时会产生热变形，然后拉动连杆，从而进行有效地过载保护。以及一些其他的热敏传感器等等。

总之，在生活生产中都会遇到各种各样的热变形现象，对于有害的方面我们要加以消除，而对于其有利方面我们要加以利用。对于精密仪器专业学生的我们更要学好如何降低这种热变形对生产的危害，争取在精密，超精密机床的研究、制作上更上一层楼。当然还需要各位导师的努力，我相信我们工大的仪器专业会再我们的手中得以发展。