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1、Marhi nc-aikCditL热变形对加工精度的影响一、概述在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工艺系统间的相对位置精度，造成了加工误差。据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。热变形不 仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。（一）工艺系统的热源引起工艺系统热变形的热源大致可分为两类：内部热源和外部热源。内部热源包括切削热和摩擦热；外部热源包括环境温度和辐射热。切削热和摩擦热是工艺系统的主要热源。（二）工艺系统的热平衡工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。与此同时，它们也通过各种传热方式向周围散发
2、热量。当单位 时间内传入和散发的热量相等时，则认为工艺系统达到了热平衡。图 4 23所示为一般机床工作时的温度和时间曲线， 由图可知，机床开动后温度缓慢升高，经过一段时间温度升至T衡便趋于稳定。由开始升温至T衡的这一段时间， 称为预热阶段。当机床温度达到稳定值后，则被认为处于热平衡阶段，此时温度场处于稳定，其热变形也就趋了稳定。 处于稳定温度场时引起的加工误差是有规律的，因此，精密及大型工件应在工艺系统达到热平衡后进行加工。二、机床热变形引起的加工误差机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不 同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从
3、而引起了加工误差。车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，从而造成 了机床主轴抬高和倾斜。图 4 24所示为一台车床在空转时，主轴温升与位移的测量结果。主轴在水平方向的位移只有lOg m,而垂直方向的位移却达到180200卩m。这对于刀具水平安装的卧式车床的加工精度影响较小，但对于 刀具垂直安装的自动车床和转塔车床来说，对加工精度的影响就不容忽视了。国424车氐主辐锚热变形拖:床身图4-25床身纵向温度热效应的影响床身上表面比底面 磁高时的瞬对大型机床如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件，其温差的影响也是很显著的。一般由于温度分层变化，床
4、身上表面比床身的底面温度高而形成温差，因此床身将产生弯曲变形，表面呈中凸状如图 4-25 所示。假设床身长L= 3120mm,高H= 620mm,温差 t= 1 C，铸铁线膨胀系数a=11x 10 -6,床身的变形量为 =aA tL 2/8H=11x 10 -6x 1x ( 3120)2 /8x 620= 0.022 mm这样 ,床身导轨的直线性明显受到影响。另外立柱和溜板也因床身的热变形而产生相应的位置变化(见图 4-25)。图 4-26 所示为几种机床热变形的趋势。（匸）立式平面磨床双端面铳床图4-26几种机床的热变形趋势三、工件热变形引起的加工误差轴类零件在车削或磨削时，一般是均匀受热，
5、温度逐渐升高，其直径也逐渐胀大，胀大部分将被刀具切去，待工 件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。细长轴在顶尖间车削时，热变形将使工件伸长，导致工件的弯曲变形，加工后将产生圆柱度误差。精密丝杠磨削时，工件的受热伸长会引起螺距的积累误差。例如磨削长度为 3000mm 的丝杠，每一次走刀温度将升高3C,工件热伸长量为A= 3000x 12x lO -6 x 3= O .lmm（12x lO -6为钢材的热膨胀系数）。而6级丝杠螺距积 累误差，按规定在全长上不许超过0.02mm,可见受热变形对加工精度影响的严重性。床身导轨面的磨削,由于单面受热,与底面产生温差而引起热变形,使磨出的导轨产生直线度误差
6、。薄圆环磨削，如图 4-27 所示，虽近似均匀受热，但磨削时磨削热量大，工件质量小，温升高，在夹压处散热条 件较好，该处温度较其他部分低， 加工完毕工件冷却后，会出现棱圆形的圆度误差。当粗精加工时间间隔较短时，粗加工时的热变形将影响到精加工，工件冷却后将产生加工误差。例如在一台三工位的 组合机床上，通过钻-扩-铰孔三工位顺序加工套件。工件的尺寸为：外径440mm,长40mm,铰孔后内径20H7, 材料为钢材。钻孔时切削用量为：n= 3l 0r/ min, f= 0.36mm /r。钻孔后温升竟达107C，接着扩孔和铰孔。当 工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。因此,在这种情况下,一定要采取冷
7、却措施,否则将出现废品。应当指出,在加工铜、铝等线膨胀系数较大的有色金属时,其热变形尤其明显,必须引起足够的重视。四、刀具热变形引起的加工误差 切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件,传到刀具上的热量不多,但因刀具切削部分质量小 （体积小）,热容量小，所以刀具切削部的温升大。例如用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达700800C, 刀具热伸长量可达0.030.05mm。因此对加工精度的影响不容忽略。图4-28所示为车削时车刀的热变 形与切削时间的关系曲线。当车刀连续车削时，车刀变形情况如曲线1,经过约1020min即f达到热 平衡，此时车刀变形的影很小；当车刀停止切削后，车刀冷却变形过程如曲线 3
8、；当车削一批短小轴类零 件时，加工由于需要装卸工件而时断时续，车刀进行间断切削，热变形在A范围内变动，其变形过程如曲 线 2。图4-29采用隔热板减小变形工件中，备 E-轴祇油池 3-砂轮架 4-螺钉隔热垫6-滑座？i：轴缸日-连轴器 9-甦杠副五、减少工艺系统热变形的主要途径（ 一 ）减少发热和隔热切削中内部热源是机床产生热变形的主要根源。为了减少机床的发热，在新的机床产品中凡是能从主 机上分离出去的热源，一般都有分离出去的趋势。如电动机、齿轮箱、液压装置和油箱等已有不少分离出 去的实例。对于不能分离出去的热源，如主轴轴承、丝杠副、高速运动的导轨副、摩擦离合器等，可从结 构和润滑等方面改善其
9、摩擦特性，减少发热，例如采用静压轴承、静压导轨、低粘度润滑油、锂基润滑脂 等。也可以用隔热材料将发热部件和机床大件分隔开来，如图 4-29 所示为在磨床砂轮架 3 和滑座 6之间 加入隔热垫 5，使砂轮架上的热传不到滑座中；在快进油缸 7 的活塞杆与进给丝杠副 9 之间使用隔热联 轴器 8，以防进给油缸中油温的变化影响丝杠。（ 二 ）、加强散热能力为了消除机床内部热源的影响，可以采用强制冷却的办法，吸收热源发出的热量，从而控制机床的温升和 热变形，这是近年来使用较多的一种方法。图 4-30 所示为一台坐标镗床采用强制冷却的试验结果。曲线 l 为没有采用强制冷却时的情况，机床运行6h后，主轴中心
10、线到工作台的距离产生了 190m（垂直方向） 的热变形，且尚未达到热平衡。曲线2为采用了强制冷却后，上述热变形减少到15p m,且在不到2h内 机床就达到了热平衡，可见强制冷却的效果是非常显著的。目前，大型数控床机、加工中心机床都普遍使用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却，以提高冷却 的效果。（ 三 ）用热补偿法减少热变形的影响单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿法使机床的温度场比较均匀，从而使机床 产生均勾的热变形以减少对加工精度的影响。图 4-31 所示为平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后 壁，以减少立柱前后壁的温度差而减少立柱的弯曲变形。图中热空气从电动机风扇排出，通过
11、特设的管道 引向防护罩和立柱和后壁空间。采用这种措施后，工件端面平行度误差可降低为来的1/31/4。（ 四 ）控制温度的变化 环境温度的变化和室内各部分的温差，将使工艺系统产生热变形，从而影响工件的加工精度和测量精度。因此，在加工或测量精密零件时，应控制室温的变化。精密机床 （如精密磨床、坐标镗床、齿轮磨床等 ）一般安装在恒温车间，以保持其温度的恒定。恒温精度一般控制在 lC,精密级为土 0.5C，超精密级为土 O.OlC。采用机床预热也是一种控制温度变化的方法。由热变形规律可知，热变形影响较大的是在工艺系统升温阶段，当 达到热平衡后，热变形趋于稳定，加工精度就容易控制。因此，对精密机床特别是大型精密机床，可在加工前预先开 动，高速空转，或人为地在机床的适当部位附设加热源预热，使它达到热平衡后再进行加工。基于同样原因，精密加 工机床应尽量避免较长时间的中途停车。
