机械制造第4章质量分析与控制(7)

而异。在车削时，大量的切削热由切屑带走，传给工件的为10%～30%，传给刀具的为1%～5%。孔加工时，大量切屑滞留在孔中，使大量的切削热传入工件。磨削时，由于磨屑小，带走的热量很少，故大部分传入工件。

摩擦热主要是机床和液压系统中的运动部分产生的，如电动机、轴承、齿轮等传动副、导轨副、液压泵、阀等运动部分产生的摩擦热。摩擦热是机床热变形的主要热源。

工艺系统的外部热源，主要是指环境温度变化和热辐射的影响，如靠近窗口的机床受到日光照射的影响，不同的时间机床温升和变形就会不同，而日光照射通常是单面的或局部的，其受到照射的部分与未被照射的部分之间产生温度差，从而使机床产生变形。对大型和精密工件的加工影响较大。

⑵ 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。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、工艺系统达到了热平衡状态，而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。

由于作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热量、位置和作用的时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，处于不同的空间位置上的各点在不同时间其温度也是不等的。物体中各点的温度分布称为温度场。当物体未达热平衡时，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，只是其坐标位置的函数，这种温度场称为稳态温度场。机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不穆定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。因此，精密加工应在热平衡状态下进行。

2．机床热变形引起的误差

不同类型的机床，其结构和工作条件相差很大，其主要热源各不相同，热变形引起的加工误差也不相同。

车、铣、钻、镗等机床，主要热源是主轴箱轴承的摩擦热和主轴箱中油池的发热，使主轴箱及与它相连接部分的床身温度升高，从而引起主轴的抬高和倾斜。图4-23所示为车床空运转时主轴的温升和位移的测量结果。主轴在水平面内的位移仅10μm，而在垂直面内的位移可高达180μm～200μm。水平位移虽数值很小，但对刀具水平安装的卧式车床来说属误差敏感方向，故对加工精度的影响就不能忽视。而垂直方向的位移对卧式车床影响不大，但对刀具垂直安装的自动车床和转塔车床来说，对加工精度影响就严重。因此，对于机床热变形，最好控制在非误差敏感方向。

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图4-23 车床主轴箱热变形

磨床类机床通常都有液压传动系统并配有高速磨头，它的主要热源为砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热。主要表现在砂轮架位移，工件头架的位移和导轨的变形。其中，砂轮架的回转摩擦热影响最大，而砂轮架的位移，直接影响被磨工件的尺寸。图4-24是外圆磨床温度分布和热变形的测量结果。当采用切入式定程磨削时，由于砂轮架轴心线的热位移，将以大约两倍的数值直接反映到工件的直径上去，图4-24 a）表示各部分温升与运转时间的关系，图4-24 b）表示被磨工件直径变化?d受热位移的影响情况，当?d达100μm，它与该机床工作台与砂轮架间的热变形x基本相符。由此可见，影响加工尺寸一致性的主要因素是机床的热变形。

a）运转时间和机床各部温升的变化 b）热变形对工件误差的影响

图4-24 外圆磨床的温升和热变形

对大型机床如导轨磨床、外圆磨床、立式车床、龙门铣床等的长床身部件，机床床身的热变形将是影响加工精度的主要因素。由于床身长，床身上表面与底面间的温差将使床身产生弯曲变形，表面呈中凸状，如图4-25所示。例如，当床身长L=3120mm，高H=620mm，导轨面与底面的温差

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L231202?6?t?1℃时，床身的变形量为???1?t?11?10?1?mm?0.022mm（铸铁线膨胀系

8H8?620数?1?11?10?6℃，这样床身导轨的直线性明显受到影响。另外，立柱和拖板也因床身的热变形

-1

而产生相应的位置变化。常见几种机床的热变形趋势如图4-26所示。

图4-25 床身纵向温差热效应的影响

a）车床 b）磨床 c）平面磨床 d）双端面磨床

图4-26 几种机床的热变形趋势

3．工件热变形引起的加工误差

切削加工中，工件的热变形主要是由切削热引起，对于大型或精密零件，外部热源如环境温度、日光等幅射热的影响也不可忽视。对于不同的加工方法，不同的工件材料、形状和尺寸，工件的受热变形也不相同，可以归纳为下列几种情况来分析：

⑴ 工件均匀受热

对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地

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传入工件，工件热变形量可按下式估算

?L??L?t

式中

?—工件材料的热膨胀系数，单位为1/℃；

L—工件在热变形方向的尺寸，单位为mm；

?t—工件温升，单位为℃。

在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。如在磨削400mm长的丝杠螺纹时，每磨一次温度升高1℃，则被磨丝杠将伸长

?L?1.17?10?5?400?1mm?0.0047mm

而5级丝杠的螺距累积误差在400mm长度上不允许超过5μm左右。因此热变形对工件加工精度影响很大。

在较长的轴类零件加工中，开始切削时，工件温升为零，随着切削加工的进行，工件温度逐渐升高而使直径逐渐增大，增大量被刀具切除，因此．加工完的工件冷却后将出现锥度误差。

⑵ 工件不均匀受热

平面在刨削、铣削、磨削加工时，工件单面受热，上下平面间产生温差而引起热变形。如图4-27所示，在平面磨床上磨削长为L、厚为H的板状工件，工件单面受热．上下面间形成温差?t，导致工件向上凸起，凸起部分被磨去，冷却后磨削表面下凹，使工件产生平面度误差。因热变形引起工件凸起量f可作如下近似计算。由于中心角?很小，其中性层的长度可近似认为等于原长L，则

图4-27 薄板磨削时的弯曲变形

f?L?Ltan?? 248且 (R?H)??R????tL

H??tL所以 f?

8H

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????tL

由上式可知，工件不均匀受热时，工件凸起量随工件长度的增加而急剧增加，工件厚度越薄，工件凸起量就越大。由于L、H、?均为常量，要减小变形误差，必须控制温差?t。

4．刀具热变形引起的加工误差

刀具热变形主要是由切削热引起的。传给刀具的热量虽不多，但由于刀具切削部分体积小而热容量小，切削部分仍产生很高的温升。如高速钢刀具车削时刃部的温度可高达700℃—800℃，而硬质合金刀刃部可达1000℃以上。这样，不但刀具热伸长影响加工精度，而且刀具的硬度也会下降。

图4-28所示为车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系。连续车削时，车刀的热变形情况如曲线A，经过约10一20min，即可达到热平衡，车刀热变形影响很小；当车刀停止车削后，刀具冷却变形过程如曲线B；当车削一批短小轴类工件时，加工时断时续（如装卸工件）间断切削，变形过程如曲线C。因此，在开始切削阶段，其热变形显著；在热平衡后，对加工精度的影响则不明显。

图4-28 车刀热变形曲线

5．减少和控制工艺系统热变形的主要途径 ⑴ 减少热源发热和隔离热源

没有热源就没有热变形，这是减少工艺系统热变形的根本措施。具体措施如下：

1）减少切削热或磨削热 通过控制切削用量，合理选择和使用刀具来减少切削热，零件精度要求高时，还应注意将粗加工和精加工分开进行。

2）减少机床各运动副的摩擦热 从运动部件的结构和润滑等方而采取措施，改善特性以减少发热，如主轴部件采用静压轴承、低温动压轴承等，采用低粘度润滑油、润滑脂、或循环冷却润滑、油雾润滑等措施，均有利于降低主轴轴承的温升。

3）分离热源 凡能从机床分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、油箱等产生热源的部件尽可能移出机床主机之外。

隔离热源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零部件，可从结构和润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。还可采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。

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