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。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，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，...