《热变形对加工精度的影响课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《热变形对加工精度的影响课件（26页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、机械制造工艺学 主讲：胡大超主讲：胡大超2.4工艺系统的热变形对加工精度的影响工艺系统的热变形对加工精度的影响1一、概述一、概述工艺系统热变形工艺系统热变形：工艺系统会受到各种热的影响而工艺系统会受到各种热的影响而产生的温度变形。产生的温度变形。工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而从而破坏破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。误差。据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差据统计，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的的40%70%。工艺系统的热变形不仅严重地影响加工精。工艺系统的热变
2、形不仅严重地影响加工精度，而且还影响加工效率的提高。度，而且还影响加工效率的提高。实现实现数控加工数控加工后，加工误差不能再由人工进行补偿，后，加工误差不能再由人工进行补偿，全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。全靠机床自动控制，因此热变形的影响就显得特别重要。工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的工艺系统热变形的问题已成为机械加工技术发展的一个重大研究课题。一个重大研究课题。2( (一一) )工艺系统的热源及传递工艺系统的热源及传递热源热源切削热切削热摩擦热摩擦热外部热源外部热源内部热源内部热源环境温度环境温度热辐射热辐射日光、照明、日光、照明、暖气、体温等暖气、体温等气温
3、、室温变气温、室温变化、热、冷风等化、热、冷风等电机、轴承、齿轮、电机、轴承、齿轮、油泵等油泵等工件、刀具、切工件、刀具、切屑、切削液屑、切削液工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，工艺系统受各种热源的影响，其温度会逐渐升高。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。它们也通过各种传热方式向周围散发热量。3( (二二) )工艺系统的热平衡和温度场概念工艺系统的热平衡和温度场概念工艺系统的热平衡工艺系统的热平衡: :当单当单位时间内传入和散发的位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态。达到了热平衡状态。热平衡时热平衡时工艺系统的热工艺系统的热变形
4、也就达到某种程度变形也就达到某种程度的稳定。的稳定。不稳态不稳态温度场温度场温度场温度场稳态稳态温度场温度场热平衡热平衡物体中各点的物体中各点的温度分布称为温度分布称为温度场温度场,T=f(x ,y,z ,t)物体达到热平衡后，物体达到热平衡后，各点温度将不再随各点温度将不再随时间而变化，只是时间而变化，只是其坐标位置的函数。其坐标位置的函数。这种温度场称为这种温度场称为稳态温度场稳态温度场当物体未达热平衡时，当物体未达热平衡时，各点温度不仅是坐标位各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为函数。这种温度场称为不稳态温度场不稳态温度场4机床在开始工作的一段
5、时间内，其温度场机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。其精度也比较稳定。因此，因此，精密加工应在热平衡状态下进行。精密加工应在热平衡状态下进行。在生产中，必须注意在生产中，必须注意:5二、工件热变形及其对加工精度影响二、工件热变形及其对加工精度影响( (一一) )工件均匀受热工件均匀受热对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较加工时（如车削、磨削）切削热
6、能较均匀地均匀地传传入工件，工件热变形量可按下式估算：入工件，工件热变形量可按下式估算：L=Lt式中式中工件材料的热膨胀系数，单位为工件材料的热膨胀系数，单位为1/；L工件在热变形方向的尺寸，单位为工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；t工件温升，单位为工件温升，单位为。6例如：在磨削例如：在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高次温度升高1，则被磨丝杠将伸长，则被磨丝杠将伸长L=1.1710-54001mm=0.0047mm而而5级丝杠的螺距累积误差在级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上长度上不允许超过不允许超过5m左右。左右。因此，热变形对工件加工精度影响很大
7、。因此，热变形对工件加工精度影响很大。实实例例在精密丝杆加工中，工件的热在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。伸长会产生螺距的累积误差。在较长的轴类零件加工中，将在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。出现锥度误差。7( (二二) )工件不均匀受热工件不均匀受热在在刨削、铣削、磨削刨削、铣削、磨削加工加工平面平面时，时，工件单面受热工件单面受热，上，上下平面间产生下平面间产生温差温差，导致工件向上凸起，凸起部，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。了中凹，造成了几何形状误差。8三
8、、刀具热变形及其对加工精度影响三、刀具热变形及其对加工精度影响刀具热变形刀具热变形主要是由主要是由切削热切削热引起的。切削引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具刀具热变形对加工精度的影响比较显著。热变形对加工精度的影响比较显著。车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（锥度）。加工内孔又如何？差（锥度）。加工内孔又如何？9车削时车刀的热变形与切削
9、时间的关系曲线车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线图2-46图示图示为车削时车刀的热变为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。形与切削时间的关系曲线。曲线曲线A车刀连续工作车刀连续工作时的热伸长曲线；时的热伸长曲线；曲线曲线B间断切削的热间断切削的热变形。变形。曲线曲线C冷却曲线。冷却曲线。连续切削时连续切削时，刀具的刀具的热变形热变形在切削初始阶段增加在切削初始阶段增加很很快快，随后变得较随后变得较缓慢缓慢，经经 长的一段时间后长的一段时间后(约约1020min)便趋于便趋于热平衡状态热平衡状态。此后。此后，热变形变热变形变化量非常小。通常刀具总的化量非常小。通常刀具总的热变形量热变形量
10、可达可达0.030.05mm。10 应合理选择切削用量和刀具几何参数应合理选择切削用量和刀具几何参数，充分润充分润滑滑，以减少切削热，降低切削温度。，以减少切削热，降低切削温度。在生产中，必须注意在生产中，必须注意:11四、机床热变形及其对加工精度影响四、机床热变形及其对加工精度影响 机床各部分受热不同（电气；液压；摩擦；切削；机床各部分受热不同（电气；液压；摩擦；切削；环境）环境）形成温差形成温差变形（膨胀）不一致变形（膨胀）不一致破坏破坏原几何精度原几何精度影响工件加工精度。影响工件加工精度。 各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床
11、各部件的温升和热变形情况是不一样的。因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。 机床热变形会使机床热变形会使机床的静态几何精度机床的静态几何精度发生发生变化而影响变化而影响加工精度加工精度，其中主轴部件、床身、，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。精度影响最大。12 （1 1）车、铣、钻、镗）车、铣、钻、镗, ,机床的主要热源及其加工机床的主要热源及其加工精度影响精度影响 热源热源: :主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。图图车床的热变形车床的热变形车床车床主要热源主
12、要热源（齿轮箱，轴承摩擦，（齿轮箱，轴承摩擦，润滑油发热）润滑油发热）主轴箱（主轴倾斜）主轴箱（主轴倾斜）床身（立柱）（导床身（立柱）（导轨凸）。轨凸）。13（2 2）大型机床热变形）大型机床热变形 龙门铣、刨、导轨磨床、立式车床龙门铣、刨、导轨磨床、立式车床 热源：热源：导轨副的摩擦热导轨副的摩擦热，环境温度，环境温度导轨磨床：砂轮架导轨磨床：砂轮架立立柱；液压柱；液压油池油池床身内，床身内，下高，中凹；下高，中凹； 导轨摩擦发热，床身的导轨摩擦发热，床身的上部温度高于下部，导轨上部温度高于下部，导轨中凸变形。中凸变形。 14（3 3）磨床类机床的热变形）磨床类机床的热变形 热源：高速砂轮主
13、轴轴承的发热和液压系统的发热热源：高速砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热 冷却液带走磨削热冷却液带走磨削热-床身床身. .）平面磨床：砂轮架平面磨床：砂轮架立柱；液压立柱；液压油池油池床身内，床身的下部温度高床身内，床身的下部温度高于上部，中凹变形；于上部，中凹变形；导轨摩擦发热，床身的上部温度高导轨摩擦发热，床身的上部温度高于下部，导轨中凸变形。于下部，导轨中凸变形。15外圆磨床：砂轮架外圆磨床：砂轮架倾斜倾斜工件直工件直径；工件头架径；工件头架倾斜倾斜锥度锥度双端面磨床：砂轮架，双端面磨床：砂轮架， 冷却液冷却液床身中部床身中部中凸中凸端面倾斜。端面倾斜。16 工艺系统的热变形对粗加工加工
14、精度的影响一般工艺系统的热变形对粗加工加工精度的影响一般不予考虑。精加工工艺系统热变形的影响不能忽不予考虑。精加工工艺系统热变形的影响不能忽视。保持热平衡状态。视。保持热平衡状态。 对于精密加工，机床空转加热，达到热平衡后在对于精密加工，机床空转加热，达到热平衡后在进行加工。一般机床（车、磨床）进行加工。一般机床（车、磨床）46h，中小，中小精密精密12h，大型精密机床，大型精密机床12h以上。以上。在生产中，注意在生产中，注意:17( () )减小热源的发热和隔离减小热源的发热和隔离热源热源电动电动机，机，变变速箱，液速箱，液压压，冷，冷却系却系统统移出；移出；用隔用隔热热材料，阻材料，阻挡
15、热挡热源源传热传热；润润滑：改善磨擦，减少滑：改善磨擦，减少发热发热；散散热热，冷却：，冷却：带带走走热热量，量，风风冷、水冷等冷、水冷等强强制冷却。加工制冷却。加工中心中心五、减少和控制工艺系统热变形的主要途径五、减少和控制工艺系统热变形的主要途径图3-5018（2 2）均衡温度场）均衡温度场图3-5119（4 4）加速达到热平衡）加速达到热平衡（5 5）控制环境温度）控制环境温度: : 恒温加工恒温加工 （3 3）采用合理的机）采用合理的机床部件结构及装配床部件结构及装配基准基准热对热对称称结结构构合理的装配基准合理的装配基准图2-522021例例薄板磨薄板磨削时的弯曲削时的弯曲变形变形工
16、件凸起量工件凸起量f可按图所示图形进行估算。由于中心角可按图所示图形进行估算。由于中心角很小，其中性层的长度可近似认为等于原长很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则，则f=L/2tan(/4）L/8且且（R+H）-R=tL=tL/H所以所以ftL2/8H22误差补偿法 右图为受机床部件和工件自重影响，龙门刨床横梁导轨弯曲变形会引起加工误差。采用误差补偿法，在横梁导轨制造时故意使导轨面产生向上的几何形状误差，以抵消横梁因自重而产生的向下垂的受力变形。23时效时效1 1）高温时效：缓慢均匀的冷却，适用于铸、）高温时效：缓慢均匀的冷却，适用于铸、锻、焊件；锻、焊件； 2 2）低温时效：缓慢均匀的冷却，适用于半精加）低温时效：缓慢均匀的冷却，适用于半精加工后的工件，主要是消除工件的表面应力；工后的工件，主要是消除工件的表面应力； 3 3）自然时效：自然释放。）自然时效：自然释放。24龙门铣床2526
