CHAPTER2-4工藝系統(tǒng)受熱變形對加工精度影響

第四節(jié)工藝系統(tǒng)的熱變形對加工精度的影響一、概述二、工件熱變形對加工精度的影響三、刀具熱變形對加工精度的影響四、機床熱變形對加工精度的影響五、減少工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度影響的措施一、概述概念工藝系統(tǒng)的熱源工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場概念在機械加工過程中，工藝系統(tǒng)會受到各種熱的影響而產(chǎn)生變形，一般稱為熱變形。這種變形將破壞刀具與工件的正確幾何關(guān)系和運動關(guān)系，造成工件的加工誤差。熱變形對加工精度影響比較大，特別是在精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會占到工件加工總誤差的40％～70％。工藝系統(tǒng)熱變形不僅影響加工精度，而且還影響加工效率因為為減少受熱變形對加工精度的影響，通常需要：預(yù)熱機床以獲得熱平衡；或降低切削用量以減少切削熱和摩擦熱；或粗加工后停機以待熱量散發(fā)后再進行精加工；或增加工序（使粗、精加工分開）等等。目前，無論在理論上還是在實踐上都有許多問題尚待研究解決。（－）工藝系統(tǒng)的熱源熱的傳遞方式熱總是由高溫處向低溫處傳遞的。熱的傳遞方式有三種：傳導(dǎo)對流輻射引起工藝系統(tǒng)變形的熱源引起工藝系統(tǒng)變形的熱源可分為內(nèi)部熱源和外部熱源兩大類:內(nèi)部熱源主要指切削熱和摩擦熱，它們產(chǎn)生于工藝系統(tǒng)內(nèi)部，其熱量主要是以熱傳導(dǎo)的形式傳遞的。外部熱源主要是指工藝系統(tǒng)外部的、以對流傳熱為主要形式的環(huán)境溫度（它與氣溫變化、通風(fēng)、空氣對流和周圍環(huán)境等有關(guān)）和各種輻射熱（包括由陽光、照明、暖氣設(shè)備等發(fā)出的輻射熱）。內(nèi)部熱源:切削熱切削熱是切削加工過程中最主要的熱源對工件加工精度的影響最為直接在切削（磨削）過程中，消耗于切削層的彈、塑性變形能及刀具、工件和切屑之間摩擦的機械能，絕大部分都轉(zhuǎn)變成了切削熱。影響切削熱傳導(dǎo)的因素切削熱Q（J）的大小計算式中Pz--主切削力（N）

v--切削速度（m／min）

t--切削時間（min）影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素：工件、刀具、夾具、機床等的材料的導(dǎo)熱性能，以及周圍介質(zhì)的情況。若工件材料熱導(dǎo)率大，則由切屑和工件傳導(dǎo)的切削熱較多；若刀具材料熱導(dǎo)率大，則從刀具傳出的切削熱也會較多。各類切削加工方法熱傳導(dǎo)情況車削，切屑所帶走的熱量最多，可達50％～80％（切削速度越高，切屑帶走熱量占總切削熱百分比就越大），傳給工件熱量次之（約30％），傳給刀具的熱量很少，一般不超過5％銑、刨削加工，傳給工件熱量在總切削熱的30％以下鉆削和臥式鏜孔，大量的切屑滯留在孔中，傳給工件的熱量就比車削時要高磨削時磨屑小，帶走的熱量也少（約為4％），大部分熱量（84％左右）傳入工件，使磨削表面的溫度高達800～1000℃左右，磨削熱既影響工件的加工精度，又影響工件的表面質(zhì)量。內(nèi)部熱源:摩擦熱工藝系統(tǒng)中的摩擦熱，主要是機床和液壓系統(tǒng)中運動部件產(chǎn)生的，如電動機、軸承、齒輪、絲杠副、導(dǎo)軌副、離合器、液壓泵、閥等各運動部分產(chǎn)生的摩擦熱。摩擦熱比切削熱少，但摩擦熱在工藝系統(tǒng)中是局部發(fā)熱，引起局部溫升和變形，破壞了系統(tǒng)原有的幾何精度，對加工精度也會帶來嚴重影響。外部熱源如：需要晝夜連續(xù)加工時，晝夜溫度不同，引起工藝系統(tǒng)的熱變形就不一樣，從而影響了加工精度照明燈光、加熱器等對機床的熱輻射，往往是局部的，日光對機床的照射不僅是局部的，而且不同時間的輻射熱量和照射位置也不同，因而會引起機床各部分不同的溫升和變形，這在大型、精密加工時尤其不能忽視。（二）工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場概念在各種熱源作用下，溫度會逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍的介質(zhì)散發(fā)熱量熱平衡狀態(tài)：當(dāng)工件、刀具和機床的溫度達到某一數(shù)值時，單位時間內(nèi)散出的熱量與熱源傳入的熱量趨于相等，這時工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài)溫度場：作用于工藝系統(tǒng)各組成部分的熱源，其發(fā)熱量、位置和作用時間各不相同，各部分的熱容量、散熱條件也不一樣，因此各部分的溫升是不相同的。即使是同一物體，處于不同空間位置上的各點在不同時間其溫度也是不等的。物體中各點溫度的分布稱為溫度場溫度場的分類當(dāng)物體未達到熱平衡時，各點溫度不僅是坐標(biāo)位置的函數(shù)，也是時間的函數(shù)。這種溫度場稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場。物體達到熱平衡后，各點溫度將不再隨時間而變化，而只是其坐標(biāo)位置的函數(shù)，這種溫度場則稱為穩(wěn)態(tài)溫度場。二、工件熱變形對加工的影響（一）概述（二）工件比較均勻受熱（三）工件不均勻受熱（一）概述在工藝系統(tǒng)熱變形中，機床熱變形最為復(fù)雜，工件、刀具的熱變形相對來說要簡單一些使工件產(chǎn)生熱變形的熱源，主要是切削熱。對于精密零件，周圍環(huán)境溫度和局部受到日光等外部熱源的輻射熱也不容忽視。（二）工件比較均勻地受熱工件熱變形計算一些形狀較簡單的軸類、套類、盤類零件的內(nèi)、外圓加工時，切削熱比較均勻地傳入工件，如不考慮工件溫升后的散熱，其溫度沿工件全長和圓周的分布都是比較均勻的，可近似地看成均勻受熱，其熱變形可以按物理學(xué)計算熱膨脹的公式求:

長度上的熱變形量（mm）為△L＝a1L△t

直徑上的熱變形量（mm）為△D＝a1D△t均勻熱變形對工件加工精度要求的影響加工盤類和長度較短的銷軸、套類零件時，由于走刀行程很短，可以忽略車削較長工件時，由于溫升逐漸增加，工件直徑隨之逐漸脹大，因而車刀的背吃刀量將隨走刀而逐漸增大，工件冷卻收縮后外圓表面就會產(chǎn)生圓柱度誤差當(dāng)工件以兩頂尖定位，工件受熱伸長時，如果頂尖不能軸向位移，則工件受頂尖的壓力將產(chǎn)生彎曲變形，對加工精度產(chǎn)生影響。宜采用彈性或液壓尾頂尖。一般，工件熱變形在精加工中影響比較嚴重，特別是長度長而精度要求很高的零件如：磨削絲杠。若絲杠長度為2m，每磨一次其溫度相對于機床母絲杠就升高約3℃，則絲杠的伸長量為0.07mm，而6級絲杠的螺距累積誤差在全長上不允許超過0．02mm，由此可見熱變形的嚴重性。（三）工件不均勻受熱銑、刨、磨平面時，除在沿進給方向有溫度差外，更嚴重的是工件只是在單面受到切削熱的作用，上下表面間的溫度差將導(dǎo)致工件向上拱起，加工時中間凸起部分被切去，冷卻后工件變成下凹，造成平面度誤差。磨削長L、厚S的板類零件，其熱變形撓度S可作如下近似計算（見圖3－45）：其熱變形撓度x=a1L2△t/8s 可以看出，雖然熱變形撓度x隨L的增長而急劇增大，但由于L、s、a均為工件上的定量，故欲控制熱變形ⅹ，就必須減小溫差△t，亦即要減少熱量的傳入。減少受熱引起的誤差對加工精度的影響的措施對于大型精密板類零件（如高為600mm，長為2000mm的機床床身）的磨削加工，工件（床身）的溫差為2.4℃時，熱變形可達20mm。這說明工件單面受熱引起的誤差對加工精度的影響是很嚴重的。為了減少這一誤差,通常采取的措施是：在切削時使用充分的切削液以減少切削表面的溫升；也可采用誤差補償?shù)姆椒?，即在裝夾工件時使工件上表面產(chǎn)生微凹的夾緊變形，以此來補償切削時工件單面受熱而拱起的誤差。三、刀具熱變形對加工精度的影響刀具熱變形主要是由切削熱引起的。通常傳入刀具的熱量并不太多，但由于熱量集中在切削部分，以及刀體小，熱容量小，故仍會有很高的溫升。例如車削時，高速鋼車刀的工作表面溫度可達700～800℃，而硬質(zhì)合金刀刃可達1000℃以上。刀具不同切削狀態(tài)下的變形連續(xù)切削時，刀具的熱變形在切削初始階段增加很快，隨后變得較緩慢。經(jīng)過不長的時間后（約10～20min）便趨于熱平衡狀態(tài)。此后，熱變形變化量就非常?。ㄒ妶D3－46）。刀具總的熱變形量可達0.03～0.05mm。間斷切削時，由于刀具有短暫的冷卻時間，故其熱變形曲線具有熱脹冷縮雙重特性，且總的變形量比連續(xù)切削時要小一些J最后趨于穩(wěn)定在δ范圍內(nèi)變動。當(dāng)切削停止后，刀具溫度立即下降，開始冷卻較快，以后逐漸減慢。刀具熱變形對對工件加工精度的影響及的措施加工大型零件，刀具熱變形往往造成幾何形狀誤差。如車長軸時，可能由于刀具熱伸長而產(chǎn)生錐度（尾座處的直徑比主軸箱附近的直徑大）為了減小刀具的熱變形，應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，并給以充分冷卻和潤滑，以減少切削熱，降低切削溫度。四、機床熱變形對加工精度的影響1、概念機床在工作過程中，受到內(nèi)外熱源的影響，各部分的溫度將逐漸升高。由于各部件的熱源不同、分布不均勻，以及機床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此不僅各部件的溫升不同，而且同一部件不同位置的溫升也不相同，形成不均勻的溫度場，使機床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機床原有的幾何精度而造成加工誤差。2、機床熱態(tài)幾何精度機床空運轉(zhuǎn)時，各運動部件產(chǎn)生的摩擦熱基本不變。運轉(zhuǎn)一段時間之后，各部件傳入的熱量和散失的熱量基本相等，即達到熱平衡狀態(tài)，變形趨于穩(wěn)定。機床達到熱平衡狀態(tài)時的幾何精度稱為熱態(tài)幾何精度。在機床達到熱平衡狀態(tài)之前，機床幾何精度變化不定，對加工精度的影響也變化不定。因此，精密加工應(yīng)在機床處于熱平衡之后進行。不同機床類型的熱變形對加工精度的影響也不相同。車、銑、鉆、鏜類機床，主軸箱中的齒輪、軸承摩擦發(fā)熱，潤滑油發(fā)熱是其主要熱源使主軸箱及與之相連部分如床身或立柱的溫度升高而產(chǎn)生較大變形。例如車床主軸發(fā)熱使主軸箱在垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)發(fā)生偏移和傾斜。圖3－47b表明車床主軸溫升、位移隨運轉(zhuǎn)時間變化的測量結(jié)果。車、銑、鉆、鏜類機床的熱變形

車、銑、鉆、鏜類機床，主軸箱中的齒輪、軸承摩擦發(fā)熱，潤滑油發(fā)熱是其主要熱源使主軸箱及與之相連部分如床身或立柱的溫度升高而產(chǎn)生較大變形。例如車床主軸發(fā)熱使主軸箱在垂直面內(nèi)和水平面內(nèi)發(fā)生偏移和傾斜。如圖3－47a所示。在垂直平面內(nèi)，主軸箱的溫升將使主軸升高；又因主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量，主軸前端將比后端高。此外，由于主軸箱的熱量傳給床身，床身導(dǎo)軌將向上凸起，故而加劇了主軸的傾斜。對臥式車床熱變形試驗結(jié)果表明，影響主軸傾斜的主要因素是床身變形，它約占總傾斜量的75％，主軸前后軸承溫度差所引起的傾斜量只占25％。車床主軸溫升、位移隨運轉(zhuǎn)時間變化的測量結(jié)果表明車床主軸溫升、位移隨運轉(zhuǎn)時間變化的測量結(jié)果表明（圖3－47b），主軸在水平方向不同測量點的位移Δy為10μm左右，而垂直方向不同測量點的位移Δz約為150～20Oμm。雖然Δz較大，但在非誤差敏感方向，對加工精度影響較小，而加由于是在誤差敏感方向，因而對加工精度影響較大。車床熱變形測量結(jié)果幾種類型機床的熱變形圖車床熱變形車床主軸溫升、位移隨運轉(zhuǎn)時間變化的測量結(jié)果表明（圖3－47b），主軸在水平方向不同測量點的位移Δy為10μm左右，而垂直方向不同測量點的位移Δz約為150～20Oμm。雖然Δz較大，但在非誤差敏感方向，對加工精度影響較小，而加由于是在誤差敏感方向，因而對加工精度影響較大。對于不僅在水平方向上裝有刀具，在垂直方向和其它方向上也都可能裝有刀具的自動車床、轉(zhuǎn)塔車床，其主軸熱位移，無論在垂直方向還是在水平方向，都會造成較大的加工誤差。因此在分析機床熱變形對加工精度影響時，還應(yīng)注意分析熱位移方向與誤差敏感方向的相對角位置關(guān)系。對于處在誤差敏感方向的熱變形，需要特別注意控制。龍門刨床、導(dǎo)軌磨床等大型機床，它們的床身較長，如導(dǎo)軌面與間稍有溫差，就會產(chǎn)生較大的彎曲變形，故床身熱變形是影響加工精度的主要因素。例如一臺長12m高0.8m的導(dǎo)軌磨床床身，導(dǎo)軌面與床身底面溫差l℃時，其彎曲變形量可達O．22mm。床身上下表面產(chǎn)生溫差的原因，不僅是由于工作臺運動時導(dǎo)軌面摩擦發(fā)熱所致，環(huán)境溫度的影響也是重要原因。例如在夏天，地面溫度一般低于車間室溫，因此床身中凸（圖3－48a）；冬天則地面溫度高于車間室溫，使床身中凹。此外，如機床局部受到陽光照射，而且照射部位還隨時間而變化，就會引起床身各部位不同的熱變形。各種磨床通常都有液壓傳動系統(tǒng)和高速回轉(zhuǎn)磨頭，并且使用大量的切削液，它們都是磨床的主要熱源。砂輪主軸軸承的發(fā)熱，將使主軸軸線升高并使砂輪架向工件方向趨近。由于主軸前后軸承溫升不同，主軸側(cè)母線還會出現(xiàn)傾斜。液壓系統(tǒng)的發(fā)熱使床身各處溫升不同，導(dǎo)致床身的彎曲和前傾。在熱變形的影響下，外圓磨床的砂輪軸線與工件軸線之間的距離會發(fā)生變化并可能產(chǎn)生平行度誤差。平面磨床平面磨床床身的熱變形受油池安放位置及導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱的影響。磨床利用床身作油池，因此床身下部溫度高于上部，結(jié)果導(dǎo)軌產(chǎn)生中凹變形。有些磨床把油箱移到機外，由于導(dǎo)軌面的摩擦熱，使床身的上部溫度高于下部，因此導(dǎo)軌就會產(chǎn)生中凸變形。雙端平面磨床雙端平面磨床床身的熱變形則受油池安放位置及導(dǎo)軌磨擦發(fā)熱的影響。有些磨床利用床身作油池，因此床身下部溫度高于上部，結(jié)果導(dǎo)軌產(chǎn)生中凹變形。有些磨床把油箱移到機外，由于導(dǎo)軌面的磨擦熱，使床身的上部溫度高于下部，因此導(dǎo)軌就會產(chǎn)生中凸變形。雙端面磨床的切削液噴向床身長中部的頂面，使其局部受熱而產(chǎn)生中凸變形，從而使兩砂輪的端面產(chǎn)生傾斜立式平面磨床立式平面磨床主軸承和主電機的發(fā)熱傳到立柱，使立柱里側(cè)的溫度高于外側(cè)，因而引起立柱的彎曲變形，造成砂輪主軸與工作臺間產(chǎn)生垂直度誤差五、減少工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度影響的措施（一）減少熱源的發(fā)熱和隔離熱源（二）均衡溫度場（三）采用合理的機床部件結(jié)構(gòu)及裝配基準（四）加速達到熱平衡狀態(tài)（五）控制環(huán)境溫度（一）減少熱源的發(fā)熱和隔離熱源工藝系統(tǒng)的熱變形對粗加工加工精度的影響一般可不考慮，而精加工主要是為I保證零件加工精度，工藝系統(tǒng)熱變形的影響不能忽視。為了減小切削熱，宜采用較小的切削用量如果粗精加工在一個工序內(nèi)完成，粗加工的熱變形將影響精加工的精度。一般可以在粗加工后停機一段時間使工藝系統(tǒng)冷卻，同時還應(yīng)將工件松開，待精加工時再夾緊。這樣就可減少粗加工執(zhí)奪形對精加工精磨的影響。當(dāng)零件精度要求較高時，則以粗精加工分開為宜。為了減少機床的熱變形，凡是可能從機床分離出去的熱源，如電動機、變速箱、液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等均應(yīng)移出，使之成為獨立單元。對于不能分離的熱源，如主軸軸承、絲杠螺母副、高速運動的導(dǎo)軌副等則可以從結(jié)構(gòu)、潤滑等方面改善其摩擦特性，減少發(fā)熱，例如采用靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌，改用低粘度潤滑油、理基潤滑脂，或使用循環(huán)冷卻潤滑、油多潤滑等；也可用隔熱材料將發(fā)熱部件和機床大件（如床身、立柱等）隔離開來。對發(fā)熱量大的熱源，如果既不能從機床內(nèi)部移出，又不便隔熱，則可采用強制式的風(fēng)冷、水冷等散熱措施。例如圖3-49所示為一臺坐標(biāo)鏜床的主軸箱用恒溫噴油循環(huán)強制冷卻的試驗結(jié)果。當(dāng)不采用強制冷卻時，機床運轉(zhuǎn)6h后，主軸與工作臺之間在垂直方向發(fā)生了190mm的熱變形，而且機床尚未達到熱平衡；當(dāng)采用強制冷卻后，上述熱變形減少到15mm,而且機床運轉(zhuǎn)不到2h時就達到熱平衡。坐標(biāo)螳床的主軸箱用恒溫噴油循環(huán)強制冷卻的試驗結(jié)果目前，大型數(shù)控機床、加工中心機床普遍采用冷凍機對潤滑油、切削流進行強制冷卻，以提高冷卻效果。精密絲杠磨床的母絲杠中則通以冷卻液，以減少熱變形。（二）均衡溫度場圖3－50所示為M7150A型磨床所采用的均衡溫度場措施的示意圖。該機床床身較長，加工時工作臺縱向運動速度較高。所以床身上部溫升高于下部。為均衡溫度場所采取的措施是：將油池搬出主機做成一單獨油箱；在床身下部配置熱補償油溝，使一部分帶有余熱的回油經(jīng)熱補償油溝后送回油池。采取這些措施后，床身上、下部溫差降至1～2℃，導(dǎo)軌的中凸量由原來的0.0265mm