热变形对加工精度的影响

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1、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

2、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。　　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

3、坏了机床原有的几何精度，从而引起了加工误差。　　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lOμm，而垂直方向的位移却达到180～200μm。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。  　　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

4、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Δt=1℃，铸铁线膨胀系数a=11×10-6，床身的变形量为　　Δ=aΔtL2/8H=11×10-6×1×（3120）2/8×620=0.022mm　　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。 　　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。　　

5、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。　　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。　　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

6、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Φ440mm，长40mm，铰孔后内径Φ20H7，材料为钢材。钻孔时切削用量为：n＝3l0r／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

7、，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