熱變形對(duì)加工精度的影響

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1、熱變形對(duì)加工精度的影響一、概述　　在機(jī)械加工過程中，工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下，常產(chǎn)生復(fù)雜的變形，破壞了工藝系統(tǒng)間的相對(duì)位置精度，造成了加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某些精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40％～70％。熱變形不僅降低了系統(tǒng)的加工精度，而且還影響了加工效率的提高?！　。ㄒ唬┕に囅到y(tǒng)的熱源　　引起工藝系統(tǒng)熱變形的熱源大致可分為兩類：內(nèi)部熱源和外部熱源?！　?nèi)部熱源包括切削熱和摩擦熱；外部熱源包括環(huán)境溫度和輻射熱。切削熱和摩擦熱是工藝系統(tǒng)的主要熱源。　?。ǘ┕に囅到y(tǒng)的熱平衡　　工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響，其溫度會(huì)逐漸升高。與此同時(shí)，它們也通過各種傳熱方式

2、向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時(shí)，則認(rèn)為工藝系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡。圖4—23所示為一般機(jī)床工作時(shí)的溫度和時(shí)間曲線，由圖可知，機(jī)床開動(dòng)后溫度緩慢升高，經(jīng)過一段時(shí)間溫度升至T衡便趨于穩(wěn)定。由開始升溫至T衡的這一段時(shí)間，稱為預(yù)熱階段。當(dāng)機(jī)床溫度達(dá)到穩(wěn)定值后，則被認(rèn)為處于熱平衡階段，此時(shí)溫度場(chǎng)處于穩(wěn)定，其熱變形也就趨了穩(wěn)定。處于穩(wěn)定溫度場(chǎng)時(shí)引起的加工誤差是有規(guī)律的，因此，精密及大型工件應(yīng)在工藝系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后進(jìn)行加工?！　《C(jī)床熱變形引起的加工誤差　　機(jī)床受熱源的影響，各部分溫度將發(fā)生變化，由于熱源分布的不均勻和機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，機(jī)床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形，破

3、壞了機(jī)床原有的幾何精度，從而引起了加工誤差?！　≤嚧差悪C(jī)床的主要熱源是主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動(dòng)副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升，從而造成了機(jī)床主軸抬高和傾斜。圖4—24所示為一臺(tái)車床在空轉(zhuǎn)時(shí)，主軸溫升與位移的測(cè)量結(jié)果。主軸在水平方向的位移只有l(wèi)Oμm，而垂直方向的位移卻達(dá)到180～200μm。這對(duì)于刀具水平安裝的臥式車床的加工精度影響較小，但對(duì)于刀具垂直安裝的自動(dòng)車床和轉(zhuǎn)塔車床來說，對(duì)加工精度的影響就不容忽視了。??　　對(duì)大型機(jī)床如導(dǎo)軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長(zhǎng)床身部件，其溫差的影響也是很顯著的。一般由于溫度分層變化，床身上表面比床身的底面溫度高而形成溫差，因此

4、床身將產(chǎn)生彎曲變形，表面呈中凸?fàn)钊鐖D4-25所示?！　〖僭O(shè)床身長(zhǎng)L=3120mm，高H=620mm，溫差Δt=1℃，鑄鐵線膨脹系數(shù)a=11×10-6，床身的變形量為　　Δ=aΔtL2/8H=11×10-6×1×（3120）2/8×620=0.022mm　　這樣,床身導(dǎo)軌的直線性明顯受到影響。另外立柱和溜板也因床身的熱變形而產(chǎn)生相應(yīng)的位置變化（見圖4-25）。　　圖4-26所示為幾種機(jī)床熱變形的趨勢(shì)。?　　三、工件熱變形引起的加工誤差　　軸類零件在車削或磨削時(shí)，一般是均勻受熱，溫度逐漸升高，其直徑也逐漸脹大，脹大部分將被刀具切去，待工件冷卻后則形成圓柱度和直徑尺寸的誤差?！　?/p>

5、細(xì)長(zhǎng)軸在頂尖間車削時(shí)，熱變形將使工件伸長(zhǎng)，導(dǎo)致工件的彎曲變形，加工后將產(chǎn)生圓柱度誤差?！　【芙z杠磨削時(shí)，工件的受熱伸長(zhǎng)會(huì)引起螺距的積累誤差。例如磨削長(zhǎng)度為3000mm的絲杠，每一次走刀溫度將升高3℃，工件熱伸長(zhǎng)量為Δ＝3000×12×lO-6×3＝O.1mm(12×lO-6為鋼材的熱膨脹系數(shù))。而6級(jí)絲杠螺距積累誤差，按規(guī)定在全長(zhǎng)上不許超過0.02mm，可見受熱變形對(duì)加工精度影響的嚴(yán)重性?！　〈采韺?dǎo)軌面的磨削，由于單面受熱，與底面產(chǎn)生溫差而引起熱變形，使磨出的導(dǎo)軌產(chǎn)生直線度誤差?！　”A環(huán)磨削，如圖4-27所示，雖近似均勻受熱，但磨削時(shí)磨削熱量大，工件質(zhì)量小，溫升高，在夾

6、壓處散熱條件較好，該處溫度較其他部分低，加工完畢工件冷卻后，會(huì)出現(xiàn)棱圓形的圓度誤差。?當(dāng)粗精加工時(shí)間間隔較短時(shí)，粗加工時(shí)的熱變形將影響到精加工，工件冷卻后將產(chǎn)生加工誤差。例如在一臺(tái)三工位的組合機(jī)床上，通過鉆-擴(kuò)-鉸孔三工位順序加工套件。工件的尺寸為：外徑Φ440mm，長(zhǎng)40mm，鉸孔后內(nèi)徑Φ20H7，材料為鋼材。鉆孔時(shí)切削用量為：n＝3l0r／min，f＝0.36mm/r。鉆孔后溫升竟達(dá)107℃，接著擴(kuò)孔和鉸孔。當(dāng)工件冷卻后孔的收縮量已超過精度規(guī)定值。因此，在這種情況下，一定要采取冷卻措施，否則將出現(xiàn)廢品。應(yīng)當(dāng)指出，在加工銅、鋁等線膨脹系數(shù)較大的有色金屬時(shí)，其熱變形尤其明顯

7、，必須引起足夠的重視。　四、刀具熱變形引起的加工誤差　　切削熱雖然大部分被切屑帶走或傳入工件，傳到刀具上的熱量不多，但因刀具切削部分質(zhì)量小(體積小)，熱容量小，所以刀具切削部的溫升大。例如用高速鋼刀具車削時(shí)，刃部的溫度高達(dá)700～800℃，刀具熱伸長(zhǎng)量可達(dá)O.03～O.05mm。因此對(duì)加工精度的影響不容忽略。圖4-28所示為車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)車刀連續(xù)車削時(shí)，車刀變形情況如曲線l，經(jīng)過約l0～20min即f達(dá)到熱平衡，此時(shí)車刀變形的影很小；當(dāng)車刀停止切削后，車刀冷卻變形過程如曲線3；當(dāng)車削一批