工艺系统热变形对加工精度的影响

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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。
- E. Q8 L9 _, K9 w　　（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。
+ K+ ]7 L$ [: t) Q4 }7 W+ q　　（二）工艺系统的热平衡
　
  P( e' F0 F4 P+ ^- J6 K  X　　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。
& Q/ T: s5 y) n. w, c& `" a　　二、机床热变形引起的加工误差
/ g% d. C' K. p8 Z5 v　　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，从而引起了加工误差。
. Z2 {* o* H1 F2 o! F/ l　　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 lOμ m，而垂直方向的位移却达到 180～ 200μ 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。

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' T( F4 k$ }* n8 r　　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Δ t= 1 ℃ ，铸铁线膨胀系数a=11× 10 -6，床身的变形量为
0 T* O. T. h! L' O' A9 V2 X' B　　Δ =aΔ tL 2/8H=11× 10 -6× 1×（ 3120） 2 /8× 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）。
& C: t3 x9 V  H/ z) N* K　　图 4-26所示为几种机床热变形的趋势。

5 x4 M# p/ |% E! T1 N　　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，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。
4 B5 t6 g0 ^% |5 L: I$ J- S+ G　　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 3℃，工件热伸长量为Δ＝ 3000× 12× lO -6 × 3＝ O .1mm(12× 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。
8 G* n& ^; E2 r& n+ W　　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。
+ L& |8 `2 H- ]& Z　　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。

7 F' x8 Q' ~9 n. I1 y　　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Φ 440mm，长 40mm，铰孔后内径Φ 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 107℃，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。
: R6 [2 T  ]# D9 ~: [　四、刀具热变形引起的加工误差
7 b$ k1 B% Z" Q9 C$ X& Y- n　　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 700～ 800℃，刀具热伸长量可达 O.03～ O .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 l，经过约 l0～ 20min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；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。
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五、减少工艺系统热变形的主要途径
　　( 一 )减少发热和隔热
7 j$ P( @6 @3 J! T, a1 r3 g　　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。
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( 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，主轴中心线到工作台的距离产生了 190μm(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 15μm，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
* F0 g+ {9 t0 R6 G# y　　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 1/3～ 1/4。
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- {5 W  Z# C5 M( d9 o　　( 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。
2 x0 i4 o$ j' ~) I/ r　　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± l℃，精密级为± 0.5℃，超精密级为 ± 0.0l℃。 　　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。
) f+ y' x& N& a( Z! v文章关键词： 机床