CHAPTER2-4工艺系统受热变形对加工精度影响

第四节工艺系统的热变形对加工精度的影响一、概述二、工件热变形对加工精度的影响三、刀具热变形对加工精度的影响四、机床热变形对加工精度的影响五、减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施一、概述概念工艺系统的热源工艺系统的热平衡和温度场概念在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生变形，一般称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的加工误差。热变形对加工精度影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40％～70％。工艺系统热变形不仅影响加工精度，而且还影响加工效率因为为减少受热变形对加工精度的影响，通常需要：预热机床以获得热平衡；或降低切削用量以减少切削热和摩擦热；或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工；或增加工序（使粗、精加工分开）等等。目前，无论在理论上还是在实践上都有许多问题尚待研究解决。（－）工艺系统的热源热的传递方式热总是由高温处向低温处传递的。热的传递方式有三种：传导对流辐射引起工艺系统变形的热源引起工艺系统变形的热源可分为内部热源和外部热源两大类:内部热源主要指切削热和摩擦热，它们产生于工艺系统内部，其热量主要是以热传导的形式传递的。外部热源主要是指工艺系统外部的、以对流传热为主要形式的环境温度（它与气温变化、通风、空气对流和周围环境等有关）和各种辐射热（包括由阳光、照明、暖气设备等发出的辐射热）。内部热源:切削热切削热是切削加工过程中最主要的热源对工件加工精度的影响最为直接在切削（磨削）过程中，消耗于切削层的弹、塑性变形能及刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成了切削热。影响切削热传导的因素切削热Q（J）的大小计算式中Pz--主切削力（N）

v--切削速度（m／min）

t--切削时间（min）影响切削热传导的主要因素：工件、刀具、夹具、机床等的材料的导热性能，以及周围介质的情况。若工件材料热导率大，则由切屑和工件传导的切削热较多；若刀具材料热导率大，则从刀具传出的切削热也会较多。各类切削加工方法热传导情况车削，切屑所带走的热量最多，可达50％～80％（切削速度越高，切屑带走热量占总切削热百分比就越大），传给工件热量次之（约30％），传给刀具的热量很少，一般不超过5％铣、刨削加工，传给工件热量在总切削热的30％以下钻削和卧式镗孔，大量的切屑滞留在孔中，传给工件的热量就比车削时要高磨削时磨屑小，带走的热量也少（约为4％），大部分热量（84％左右）传入工件，使磨削表面的温度高达800～1000℃左右，磨削热既影响工件的加工精度，又影响工件的表面质量。内部热源:摩擦热工艺系统中的摩擦热，主要是机床和液压系统中运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动部分产生的摩擦热。摩擦热比切削热少，但摩擦热在工艺系统中是局部发热，引起局部温升和变形，破坏了系统原有的几何精度，对加工精度也会带来严重影响。外部热源如：需要昼夜连续加工时，昼夜温度不同，引起工艺系统的热变形就不一样，从而影响了加工精度照明灯光、加热器等对机床的热辐射，往往是局部的，日光对机床的照射不仅是局部的，而且不同时间的辐射热量和照射位置也不同，因而会引起机床各部分不同的温升和变形，这在大型、精密加工时尤其不能忽视。（二）工艺系统的热平衡和温度场概念在各种热源作用下，温度会逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围的介质散发热量热平衡状态：当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内散出的热量与热源传入的热量趋于相等，这时工艺系统就达到了热平衡状态温度场：作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升是不相同的。即使是同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间其温度也是不等的。物体中各点温度的分布称为温度场温度场的分类当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，也是时间的函数。这种温度场称为不稳态温度场。物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置的函数，这种温度场则称为稳态温度场。二、工件热变形对加工的影响（一）概述（二）工件比较均匀受热（三）工件不均匀受热（一）概述在工艺系统热变形中，机床热变形最为复杂，工件、刀具的热变形相对来说要简单一些使工件产生热变形的热源，主要是切削热。对于精密零件，周围环境温度和局部受到日光等外部热源的辐射热也不容忽视。（二）工件比较均匀地受热工件热变形计算一些形状较简单的轴类、套类、盘类零件的内、外圆加工时，切削热比较均匀地传入工件，如不考虑工件温升后的散热，其温度沿工件全长和圆周的分布都是比较均匀的，可近似地看成均匀受热，其热变形可以按物理学计算热膨胀的公式求:

长度上的热变形量（mm）为△L＝a1L△t

直径上的热变形量（mm）为△D＝a1D△t均匀热变形对工件加工精度要求的影响加工盘类和长度较短的销轴、套类零件时，由于走刀行程很短，可以忽略车削较长工件时，由于温升逐渐增加，工件直径随之逐渐胀大，因而车刀的背吃刀量将随走刀而逐渐增大，工件冷却收缩后外圆表面就会产生圆柱度误差当工件以两顶尖定位，工件受热伸长时，如果顶尖不能轴向位移，则工件受顶尖的压力将产生弯曲变形，对加工精度产生影响。宜采用弹性或液压尾顶尖。一般，工件热变形在精加工中影响比较严重，特别是长度长而精度要求很高的零件如：磨削丝杠。若丝杠长度为2m，每磨一次其温度相对于机床母丝杠就升高约3℃，则丝杠的伸长量为0.07mm，而6级丝杠的螺距累积误差在全长上不允许超过0．02mm，由此可见热变形的严重性。（三）工件不均匀受热铣、刨、磨平面时，除在沿进给方向有温度差外，更严重的是工件只是在单面受到切削热的作用，上下表面间的温度差将导致工件向上拱起，加工时中间凸起部分被切去，冷却后工件变成下凹，造成平面度误差。磨削长L、厚S的板类零件，其热变形挠度S可作如下近似计算（见图3－45）：其热变形挠度x=a1L2△t/8s 可以看出，虽然热变形挠度x随L的增长而急剧增大，但由于L、s、a均为工件上的定量，故欲控制热变形ⅹ，就必须减小温差△t，亦即要减少热量的传入。减少受热引起的误差对加工精度的影响的措施对于大型精密板类零件（如高为600mm，长为2000mm的机床床身）的磨削加工，工件（床身）的温差为2.4℃时，热变形可达20mm。这说明工件单面受热引起的误差对加工精度的影响是很严重的。为了减少这一误差,通常采取的措施是：在切削时使用充分的切削液以减少切削表面的温升；也可采用误差补偿的方法，即在装夹工件时使工件上表面产生微凹的夹紧变形，以此来补偿切削时工件单面受热而拱起的误差。三、刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形主要是由切削热引起的。通常传入刀具的热量并不太多，但由于热量集中在切削部分，以及刀体小，热容量小，故仍会有很高的温升。例如车削时，高速钢车刀的工作表面温度可达700～800℃，而硬质合金刀刃可达1000℃以上。刀具不同切削状态下的变形连续切削时，刀具的热变形在切削初始阶段增加很快，随后变得较缓慢。经过不长的时间后（约10～20min）便趋于热平衡状态。此后，热变形变化量就非常小（见图3－46）。刀具总的热变形量可达0.03～0.05mm。间断切削时，由于刀具有短暂的冷却时间，故其热变形曲线具有热胀冷缩双重特性，且总的变形量比连续切削时要小一些J最后趋于稳定在δ范围内变动。当切削停止后，刀具温度立即下降，开始冷却较快，以后逐渐减慢。刀具热变形对对工件加工精度的影响及的措施加工大型零件，刀具热变形往往造成几何形状误差。如车长轴时，可能由于刀具热伸长而产生锥度（尾座处的直径比主轴箱附近的直径大）为了减小刀具的热变形，应合理选择切削用量和刀具几何参数，并给以充分冷却和润滑，以减少切削热，降低切削温度。四、机床热变形对加工精度的影响1、概念机床在工作过程中，受到内外热源的影响，各部分的温度将逐渐升高。由于各部件的热源不同、分布不均匀，以及机床结构的复杂性，因此不仅各部件的温升不同，而且同一部件不同位置的温升也不相同，形成不均匀的温度场，使机床各部件之间的相互位置发生变化，破坏了机床原有的几何精度而造成加工误差。2、机床热态几何精度机床空运转时，各运动部件产生的摩擦热基本不变。运转一段时间之后，各部件传入的热量和散失的热量基本相等，即达到热平衡状态，变形趋于稳定。机床达到热平衡状态时的几何精度称为热态几何精度。在机床达到热平衡状态之前，机床几何精度变化不定，对加工精度的影响也变化不定。因此，精密加工应在机床处于热平衡之后进行。不同机床类型的热变形对加工精度的影响也不相同。车、铣、钻、镗类机床，主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热，润滑油发热是其主要热源使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。例如车床主轴发热使主轴箱在垂直面内和水平面内发生偏移和倾斜。图3－47b表明车床主轴温升、位移随运转时间变化的测量结果。车、铣、钻、镗类机床的热变形

车、铣、钻、镗类机床，主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热，润滑油发热是其主要热源使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。例如车床主轴发热使主轴箱在垂直面内和水平面内发生偏移和倾斜。如图3－47a所示。在垂直平面内，主轴箱的温升将使主轴升高；又因主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，主轴前端将比后端高。此外，由于主轴箱的热量传给床身，床身导轨将向上凸起，故而加剧了主轴的倾斜。对卧式车床热变形试验结果表明，影响主轴倾斜的主要因素是床身变形，它约占总倾斜量的75％，主轴前后轴承温度差所引起的倾斜量只占25％。车床主轴温升、位移随运转时间变化的测量结果表明车床主轴温升、位移随运转时间变化的测量结果表明（图3－47b），主轴在水平方向不同测量点的位移Δy为10μm左右，而垂直方向不同测量点的位移Δz约为150～20Oμm。虽然Δz较大，但在非误差敏感方向，对加工精度影响较小，而加由于是在误差敏感方向，因而对加工精度影响较大。车床热变形测量结果几种类型机床的热变形图车床热变形车床主轴温升、位移随运转时间变化的测量结果表明（图3－47b），主轴在水平方向不同测量点的位移Δy为10μm左右，而垂直方向不同测量点的位移Δz约为150～20Oμm。虽然Δz较大，但在非误差敏感方向，对加工精度影响较小，而加由于是在误差敏感方向，因而对加工精度影响较大。对于不仅在水平方向上装有刀具，在垂直方向和其它方向上也都可能装有刀具的自动车床、转塔车床，其主轴热位移，无论在垂直方向还是在水平方向，都会造成较大的加工误差。因此在分析机床热变形对加工精度影响时，还应注意分析热位移方向与误差敏感方向的相对角位置关系。对于处在误差敏感方向的热变形，需要特别注意控制。龙门刨床、导轨磨床等大型机床，它们的床身较长，如导轨面与间稍有温差，就会产生较大的弯曲变形，故床身热变形是影响加工精度的主要因素。例如一台长12m高0.8m的导轨磨床床身，导轨面与床身底面温差l℃时，其弯曲变形量可达O．22mm。床身上下表面产生温差的原因，不仅是由于工作台运动时导轨面摩擦发热所致，环境温度的影响也是重要原因。例如在夏天，地面温度一般低于车间室温，因此床身中凸（图3－48a）；冬天则地面温度高于车间室温，使床身中凹。此外，如机床局部受到阳光照射，而且照射部位还随时间而变化，就会引起床身各部位不同的热变形。各种磨床通常都有液压传动系统和高速回转磨头，并且使用大量的切削液，它们都是磨床的主要热源。砂轮主轴轴承的发热，将使主轴轴线升高并使砂轮架向工件方向趋近。由于主轴前后轴承温升不同，主轴侧母线还会出现倾斜。液压系统的发热使床身各处温升不同，导致床身的弯曲和前倾。在热变形的影响下，外圆磨床的砂轮轴线与工件轴线之间的距离会发生变化并可能产生平行度误差。平面磨床平面磨床床身的热变形受油池安放位置及导轨摩擦发热的影响。磨床利用床身作油池，因此床身下部温度高于上部，结果导轨产生中凹变形。有些磨床把油箱移到机外，由于导轨面的摩擦热，使床身的上部温度高于下部，因此导轨就会产生中凸变形。双端平面磨床双端平面磨床床身的热变形则受油池安放位置及导轨磨擦发热的影响。有些磨床利用床身作油池，因此床身下部温度高于上部，结果导轨产生中凹变形。有些磨床把油箱移到机外，由于导轨面的磨擦热，使床身的上部温度高于下部，因此导轨就会产生中凸变形。双端面磨床的切削液喷向床身长中部的顶面，使其局部受热而产生中凸变形，从而使两砂轮的端面产生倾斜立式平面磨床立式平面磨床主轴承和主电机的发热传到立柱，使立柱里侧的温度高于外侧，因而引起立柱的弯曲变形，造成砂轮主轴与工作台间产生垂直度误差五、减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施（一）减少热源的发热和隔离热源（二）均衡温度场（三）采用合理的机床部件结构及装配基准（四）加速达到热平衡状态（五）控制环境温度（一）减少热源的发热和隔离热源工艺系统的热变形对粗加工加工精度的影响一般可不考虑，而精加工主要是为I保证零件加工精度，工艺系统热变形的影响不能忽视。为了减小切削热，宜采用较小的切削用量如果粗精加工在一个工序内完成，粗加工的热变形将影响精加工的精度。一般可以在粗加工后停机一段时间使工艺系统冷却，同时还应将工件松开，待精加工时再夹紧。这样就可减少粗加工执夺形对精加工精磨的影响。当零件精度要求较高时，则以粗精加工分开为宜。为了减少机床的热变形，凡是可能从机床分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等均应移出，使之成为独立单元。对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热，例如采用静压轴承、静压导轨，改用低粘度润滑油、理基润滑脂，或使用循环冷却润滑、油多润滑等；也可用隔热材料将发热部件和机床大件（如床身、立柱等）隔离开来。对发热量大的热源，如果既不能从机床内部移出，又不便隔热，则可采用强制式的风冷、水冷等散热措施。例如图3-49所示为一台坐标镗床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的试验结果。当不采用强制冷却时，机床运转6h后，主轴与工作台之间在垂直方向发生了190mm的热变形，而且机床尚未达到热平衡；当采用强制冷却后，上述热变形减少到15mm,而且机床运转不到2h时就达到热平衡。坐标螳床的主轴箱用恒温喷油循环强制冷却的试验结果目前，大型数控机床、加工中心机床普遍采用冷冻机对润滑油、切削流进行强制冷却，以提高冷却效果。精密丝杠磨床的母丝杠中则通以冷却液，以减少热变形。（二）均衡温度场图3－50所示为M7150A型磨床所采用的均衡温度场措施的示意图。该机床床身较长，加工时工作台纵向运动速度较高。所以床身上部温升高于下部。为均衡温度场所采取的措施是：将油池搬出主机做成一单独油箱；在床身下部配置热补偿油沟，使一部分带有余热的回油经热补偿油沟后送回油池。采取这些措施后，床身上、下部温差降至1～2℃，导轨的中凸量由原来的0.0265mm