机床主轴零件加工精度与温度相关关系探究
2025-12-22 来源：沈阳机床股份有限公司 作者： 张 伟
【摘要】: 针对非恒温车间（16℃ ~28℃）温度波动导致主轴轴套加工精度超差问题，本研究突破传统仅优化切削参数、材料性能等固有因素的局限，首次系统确立环境温度波动为影响批量加工一致性的关键变量。基于主轴核心零件功能与精度分析，结合切削热传导机理，构建了环境温度与工件热变形之间的定量映射模型。依托全年 138 组车间实测数据，创新提出并实施了分段热变形补偿策略。应用后，零件合格率显著提升（82.4% → 98.7%），过程能力指数大幅改善（CPK0.89 → 1.52），有效解决了温度波动下的精度控制难题。该策略为变温环境下精密零件的批量稳定加工提供了可靠的技术方案和重要参考。
主轴作为机床核心功能单元，承载刀具或工件的旋转运动，其回转精度、刚度和动态性能稳定性直接决定了被加工零件的极限精度与表面质量。主轴系统精度本质上是心轴、轴承、轴套等核心零件几何精度与装配精度的综合体现。其中，轴承精度通常由选定品牌和精度等级（如 P4、P2 级）预先确定，其制造误差相对固定且可控 ;而心轴与轴套的加工精度一致性，则成为影响主轴最终装配性能的关键变量，尤其在批量生产中面临严峻挑战。
研究表明，在切削参数（如转速、进给量、切削深度）高度稳定的前提下，环境温度波动对轴套批产精度一致性的影响贡献率高达 65% 以上。这是因为金属材料具有显著的热膨胀特性，温度变化导致轴套本体及工装产生微米级甚至亚微米级的尺寸与形变漂移。在传统制造模式中，这种由环境温度（如昼夜温差、季节性变化、车间空调启停）引入的热误差往往被忽略或难以主动补偿，成为制约高精度轴套批产合格率提升的瓶颈。
基于上述原因一方面研究多物理场耦合相关性，结合实验数据，全面揭示零件在不同环境温度下热变形对尺寸精度的影响规律 ; 另一方面，从切削工艺、冷却润滑系统优化等角度出发，提出针对性较强的零件加工精度的提升方案，实现机床在复杂工况下加工精度一致性的明显提升。
研究视角具有一定创新性，突破传统作用因素研究局限，将主轴零件加工精度与车间环境温度相关联，深入探讨二者间的双向耦合关系，考虑到温度对材料性能、热传导、热对流以及零件配合间隙等多方面的综合影响，为冷加工过程零件精度稳定性与一致性的提高探索出新的参考思路。
一、主轴核心零件失效机制
1.主轴关键零件功能分析
常用车床主轴的心轴作为 “输出端”，其材质常选用高强度、低热膨胀系数的合金钢，如40Cr、 20CrMnTi、38CrMoAl 等， 经调质、 淬火、氮化、深冷等热处理工艺，使其表面硬度达到 50~62HRC，前端通常设计有高精度的短锥及锥孔，常见有 1:4 锥度短锥，用于定位卡盘等夹具 ;1:20 内锥孔用于定位夹头，确保工件在高速旋转时的稳定性与同轴度。
轴承是支撑心轴旋转的关键零件，其精度与性能直接关乎心轴的回转精度。角接触球轴承常用于主轴前端，以抵消切削力产生的轴向分力，同时配合圆柱滚子轴承增加径向承载能力 ; 后端则搭配圆柱滚子轴承，为心轴提供稳定支撑。这些轴承的精度等级通常要求达到 P4 甚至 P2 级，其径向跳动控制在微米级，例如，P2 级角接触球轴承的径向跳动可低至 0.5μm，保障主轴的高精度旋转。
轴套置于轴承外，内孔与轴承外圈配合，外圆与箱体配合定位主轴，其与轴承和箱体的配合情况影响主轴的精度、刚度、热稳定性等。轴套多采用耐磨的低碳合金，具有良好的热稳定性，即要确保主轴转动灵活，又要保障主轴的轴向和径向刚度稳定性。
2. 核心零件关键尺寸公差分析
依据机床行业相关标准 GB/T 17421.1-1998《机床检验通则第 1 部分 : 在无负荷或精加工条件下机床的几何精度》等，车床主轴轴颈尺寸偏差一般不得超过 ±0.003mm，使主轴在高速旋转时能获得稳定支撑，减小径向跳动。其表面粗糙度 Ra 值达 0.3 ~0.6μm。短锥及锥孔是装夹的基准，1:4 短锥和 1:20 锥孔的锥度公差常为 ±0.001~0.002mm，以确保夹具安装后的径向跳动不超过 0.003mm，保障回转精度。
且表面粗糙度同样要求严苛，Ra 值一般要求达到 0.4~0.8μm，保证夹具装夹的紧密性与稳定性，防止加工过程中夹具松动或偏摆 ; 心轴上与轴承配合的轴肩，其端面圆跳动公差通常限定在±0.002~±0.004mm，保证轴承安装的垂直度，避免因轴肩偏摆导致轴承受力不均，进而引发主轴轴线偏移 ; 轴套的外圆柱面，其圆柱度公差约为 ±0.003~±0.006mm，直线度公差在全长范围内控制在 ±0.005~±0.01mm，保障主轴整体外形精度，确保与箱体等部件的装配精度。整理后如表 1 所示。
表 1 核心零件关键尺寸表
二、环境温度变化对零件加工精度的影响
1.加工过程热交换路径
主轴零件精密磨削过程，车间环境温度、磨削加工区温度、冷却介质温度等均会影响零件加工精度。零件加工时与周边环境涉及三种热交换方式，即热传导、热辐射、对流换热。热传导主要为零件与夹具、零件与冷却液之间进行接触热交换，转移走绝大部分热量 ; 热辐射主要为零件与加工区域空气之间进行热交换，经过热传导散热后剩余热量较少，可忽略不计 ; 热对流主要为零件加工后与车间空气间进行热交换，达到与环境等温状态，车间温度（非恒温车间）的四季变化会有较大差异，零件可以放热缩小，也可以吸热膨胀，致使精度稳定性发生较大变化，也是本文重点研究之处。主轴零件主要热交换路径如表2 所示。
表 2 热变形路径
2. 环境温度引发的热变形分析
在实际加工过程中，环境温度的变化对零件轴向、径向热变形影响较明显。以某主轴轴套（内孔直径 φ150mm）加工车间为例，研究轴承孔尺寸公差，该车间在春夏季无空调调控时，环境温度可达 26~28℃，而在秋冬季无采暖条件下，温度可降至 16~18℃，昼夜温差近 10℃。车间内的主轴轴套，其轴长为 300mm，采用 45 钢材质，热膨胀系数 α 约为 12×10-6/℃。
根据热膨胀原理，轴套径向孔热变形量 ΔL可由公式（1）所示 :
ΔL=L*α*ΔT （1）
其中 :L 为轴套直径 - 内孔直径 ;α 为材料热膨胀系数 ;ΔT 为温度变化量。
计算得出在上述车间环境下，昼夜温差引发的轴套径向热变形量为 :ΔL = 60*12×10-
6*10=0.007mm。在精度公差0.004~0.006mm的设计要求下，温差带来的热变形量已严重影响
零件加工精度的一致性。
三、零件加工精度与环境温度相关性分析
基于环境温度变化给主轴关键零件带来较大影响，甚至影响主轴精度及性能一致性，因此对精密零件加工精度与温度变化关系研究，建立温度变化与精度变化综合曲线，形成工艺方法并指导生产。以车床主轴轴套为研究对象，使用进口高精度磨床进行加工（配备切削区温度控制系统），建立验证平台，跟踪不同车间温度条件下，精加工数据采集，分析零件加工精度与环境温度相关性。
1. 实验数据采集
开展实验数据采集工作，取样时间跨度为12 个月，包含冬季持续供暖时间段，冬春交替暖气停供时间段，春夏交替空调制冷温度调控时间段。高精密磨床具备加工区恒温功能，加工区温度一直控制在 21~22℃之间 ; 加工完成后放置机台旁进行恒温 4 小时，操作人员采用内孔千分尺、卡规等工具校准后进行检测 ; 车间检测合格后送交三坐标室进行恒温后检测。采样数据共计138 件，记录了车间实时温度、加工区温度、目标尺寸值、加工完成后机台自检数据、恒温后三坐标检测数据等。示例部分如表 3 所示。
表 3 车间温度与对应加工精度数据（示列部分）
2.温度-精度关联规律
对于温度数据，采用移动平均滤波法去除高频噪声干扰，设置窗口宽度为 5~10 个采样点，使温度曲线更平滑，以精准反映温度变化趋势。针对精度测量数据中的异常值，运用格拉布斯准则进行判别与剔除，以确保数据可靠性。当某测点精度数据偏离均值 3 倍标准差时，判定为异常值并予以剔除，避免其对后续分析造成误导。由以上数据总结如表 4 所示。
表 4 车间温度变化与检验精度关系
（1）日均温变曲线呈 " 晨低→午升→晚稳 "特征
针对上述车间温度变化，需要适时调整加工目标值，保证最终加工目标值进入公差范围，本研究所加工轴套 φ150 轴承孔，要求公差范围 -5~-10μm 以保证轴承装配精度。全年对应车间温度变化的调整量为 -9~0μm，最小值 -9μm 发生在 5~6 月，车间最高温度在26~28℃时，在当天的加工过程中，早上设
定 150-7μm; 随着车间温度逐渐升高，到上午10~12 点，参数调整为 150~8μm; 下午开始至晚上 8~9 点参数调整为 150-9μm，按此规律进行参数调整保证机台恒温自检精度范围 -6~-2μm，三坐标检验结果在 -8~-4μm，满足设计预期 ; 最大值 0，放生在 9~10 月，车间最低温度在 16~18℃，在当天的加工过程中，早上设定 150-0μm; 随着车间温度逐步升高，到上午到 10~12 点，参数调整为 150-1μm; 下午
开始至晚上 8~9 点参数调整为 150-2μm，按此规律进行参数调整保证机台恒温自检精度范围 -5~-3μm，三坐标检验结果在 -7~-5μm，满足设计预期。
（2）补偿响应存在三段式特性
由上述结果可知，车间温度变化带来的补偿调整可分为三个阶段 :16~21℃为第一个区间，轴套孔尺寸加工调整补偿值与三坐标恒温检测标准值相比表现为 “缩” 的趋势，均值为5~6μm;21~23℃为第二区间，轴套孔尺寸加工调整补偿值与三坐标恒温检测标准值相比表现为 “持平” 的趋势 ;23~28℃为第三区间，轴套孔尺寸加工调整补偿值与三坐标恒温检测标准值相比表现为 “涨” 的趋势，均值为 4~5μm。
3.实施效果
应用上述补偿方法，轴套批量加工后，轴承孔合格率 % 提升 16%，CPK 值增加 0.6，零件加工一致性提升明显。提升效果如表 5 所示。
表 5 实施补偿前后提升效果
四、结论与展望
1.研究成果总结
围绕机床主轴精密零件精度与环境温度的相关关系展开深入探究，通过对主轴结构的精细剖析，明确心轴、轴承、轴套、润滑及密封装置等关键零件的构造特征，提出关键核心零件的精度要求，阐述了环境温度对零件精加工的影响机制，以实验的方式采集并分析数据，总结出主轴零件精加工与车间温度相关关系，得出零件加工精度在车间温度变化的过程中保持一致性的方法，为主轴零件加工精度一致性持续提升增加了新的思路。
由本研究可总结出以下几个方面 : 首先，在季节交替过程中，无温度调节手段前提下，随着机床发热车间温度变化范围在 16~28℃之间（不同地理位置可能有所不同），且呈现出上午快速拉升下午平缓增长的特点 ; 其次，加工车间温差导致的精度偏差与金属材料热膨胀相关性，符合热胀冷缩特性，但受综合条件影
响，尺寸变化值与热膨胀计算方法不完全一致，具有一定的衰减特性 ; 最后，在车间温度变化时，精加工尺寸精度可以通过调整补偿值的方式进行修正，提升零件精加工一致性。
2.未来研究方向
未来在机床主轴精密零件精度与环境温度相关关系的研究领域，仍有很多方向需深入研究。在影响机理深化方面，需进一步考虑微观视角下材料组织相变行为对尺寸精度的影响。如精加工过程中切削高温作用下主轴材料的晶粒变化、晶界滑移、合金元素扩散引发的相变，如何精准量化其对热膨胀系数、热导率等参数
的动态改变，进而深入剖析对零件目标精度的连锁反应等方面还需进一步探究。与高校联合借助先进的分析设备及方法，如高分辨率电子显微镜、同步辐射 X 射线衍射等，实时观测微观组织变化，进一步揭示热传导、热变形的微观机制，实现更精准的补偿调整。
同时，拓展研究范围。一方面，在多品种变批量生产模式下，机床频繁切换加工任务，主轴经历不同切削力、热载荷冲击，其精度与温度的耦合关系随时间呈现复杂动态变化。通过长期在线监测，收集海量数据，挖掘不同工况序列下的精度退化规律，建立基于时间序列的预测模型，实现对零件精度的全生命周期管
控。另一方面，扩充多场影响研究，充分考虑机床运行中的振动、电磁等物理场与温度场交互作用。例如，高速电主轴的高频电磁场对轴承润滑特性、热生成的影响，以及切削振动通过改变接触状态加剧热变形等问题，综合多物理场建模分析，全面提升对复杂实际工况的模拟精度。
投稿箱：
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有机床行业、企业相关新闻稿件发表，或进行资讯合作，欢迎联系本网编辑部， 邮箱：skjcsc@vip.sina.com
