工艺系统热变形及解决方案

2023-06-29 理论教育版权反馈

【摘要】：机械加工中，工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。细长轴在顶尖间车削时，热变形将引起工件内部的热应力，造成工件热伸长，导致其弯曲变形。如图6-14所示的虚线表示车床的热变形。因而，必须采取措施控制工艺系统温度变化，保持温度稳定。当加工中工艺系统热变形不可避免地存在时，常采取一些补偿措施予以消除，例如数控机床中，滚珠丝杠工作时产生的热变形可采用“预拉法”予以消除。

机械加工中，工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。由于工艺系统热源分布的不均匀性及各环节结构、材料的不同，使工艺系统各部分的变形产生差异，从而破坏了刀具与工件的准确位置及运动关系，产生加工误差，尤其对于精密加工，热变形引起的加工误差占总误差的一半以上。因此，在近代精密加工中，控制热变形对加工精度的影响已成为重要的任务和研究课题。

在加工过程中，工艺系统的热源主要有内部热源和外部热源两大类。内部热源来自切削过程，主要包括切削热、摩擦热、派生热源；外部热源主要来自外部环境，主要包括环境温度和热辐射。这些热源产生的热造成工件、刀具和机床的热变形。

1.工件热变形

切削加工中，工件的热变形主要由切削热引起，有些大型精密零件同时还受环境温度的影响。由于工件形状、尺寸以及加工方法的不同，传入工件的热量也不一致，其温升和热变形对加工精度的影响也不尽相同。例如，轴类零件在车削或磨削加工时，一般是均匀受热，温度逐渐升高，其直径逐渐增大，增大部分将被刀具切去，故当工作冷却后，形成圆柱度和径向及轴向尺寸误差。细长轴在顶尖间车削时，热变形将引起工件内部的热应力，造成工件热伸长，导致其弯曲变形。精密丝杠磨削时，工件的热伸长会引起螺距累积误差。床身导轨面的磨削，由于零件的加工面与底面的温差，故其所引起的热变形也是很大的。

工件粗加工时的热变形，一般不引起人们的注意，但在流水线、自动线以及工序高度集中的加工中，应给予足够的重视，否则将给紧接着的精加工工序带来很大的危害。例如某厂在流水线上加工箱体零件的孔系时，粗镗孔后接着进入精镗工序，由于粗精工序间停留时间太短，粗加工的热变形精镗时尚未稳定，精镗孔后，零件内部的热效应还继续作用，从而造成孔的尺寸和形状误差。

2.刀具热变形

切削过程中，一部分切削热传给刀具，尽管这部分热量很少（高速车削时只占1%～2%），但由于刀体较小，热容量较小，因此，刀具的温度可以升得很高，高速钢车刀的工作表面温度可达700～800 ℃。刀具受热伸长量一般情况下可达到0.03～0.05 mm，从而产生加工误差，影响加工精度。

当刀具连续工作时，如车削长轴或在立式车床上车大端面时，传给刀具的切削热随时间不断增加，刀具产生变形而逐渐伸长，工件产生圆度误差或平面度误差。

刀具间歇工作时，例如，当采用调整法加工一批短轴零件时，由于每个工件切削时间较短，刀具的受热与冷却间歇进行，故刀具的热伸长比较缓慢。

总的来说，刀具能够迅速达到热平衡，刀具的磨损又能与刀具的受热伸长进行部分地补偿，故刀具热变形对加工质量影响并不显著。

3.机床热变形

由于机床的结构和工作条件差别很大，因此引起热变形的主要热源也大不相同，大致分为以下三种：

（1）主要热源来自机床的主传动系统，如普通机床、六角车床、铣床、卧式镗床、坐标镗床等。

（2）主要热源来自机床导轨的摩擦，如龙门刨床、立式车床等。

（3）主要热源来自液压系统，如各种液压机床。

热源的热量，一部分传给周围介质，一部分传给热源近处的机床零部件和刀具，以致产生热变形，影响加工精度。由于机床各部分的体积较大，容量也大，因而机床热变形缓慢，温升也比刀具和工件低，如车床主轴箱一般不高于60℃。实践表明，车床部件中受热最多而变形量大的是主轴箱，其他部分（如刀架、尾座等）温升不高，热变形较小。

如图6-14所示的虚线表示车床的热变形。对加工精度影响最大的因素是主轴轴线的抬高和倾斜。实践表明，主轴抬高是主轴轴承温度升高而引起主轴箱变形的结果，它约占总抬高量的70%。由床身热变形所引起的抬高量一般小于30%。主轴倾斜的主要原因是床身的受热弯曲，它约占总倾斜量的75%。车床主轴前轴承的温升最高，主轴前后轴承的温差所引起的主轴倾斜约占25%。

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图6-14　车床的热变形

4.减少工艺系统热变形的措施

（1）减少工艺系统的热源及其发热量。加工过程中机床的热变形主要由内部热源产生，因此，为减少机床的热变形，首先应减少热源。例如，将机床上的变速箱、电机、液压装置、油池、冷却箱等热源尽可能与主机分离，成为独立的单元，如不能分离出来则采用隔热材料将其与主机隔开。

对于无法与主机分离或隔开的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、离合器等产生的摩擦热以及切削热和外部热源，应采取适当的冷却、润滑措施或改进结构，以改善摩擦特性，减少发热。

此外，为防止切下的切屑把热量传给机床工作台或床身，可在工作台等处放上隔热塑料板并及时清理切屑。

（2）加强冷却，提高散热能力。为了抑制机床内部热源引起的热变形，近年来广泛采用对机床受热部位进行强制冷却的方法。

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图6-15　用热空气均衡立柱前后壁的温度

（3）控制温度变化，均衡温度。由于工艺系统温度变化，引起工艺系统热变形，从而产生加工误差，并且具有随机性。因而，必须采取措施控制工艺系统温度变化，保持温度稳定。使热变形产生的加工误差具规律性，便于采取相应措施给予补偿。如图6-15所示立轴平面磨床，为了平衡主轴箱发热对立柱前壁的影响，用管道将主轴箱的热空气输送给立柱后壁，使前后壁温度分布均匀对称，从而减少立柱的倾斜。采取这一措施后，使被加工的工件平面度误差降低1/4～1/3。

当机床（工艺系统）达到热平衡时，工艺系统的热变形趋于稳定，因此，设法使工艺系统尽快达到热平衡，既可控制温度变化，又能提高生产率。缩短预热期的方法有两种：一种方法是加工前让机床高速空转，使机床迅速达到热平衡，然后采用工作转速进行加工；另一种方法是在机床适当部位增设附加热源，在预热期内人为向机床供热，加快其热平衡，然后采用工作转速进行加工。

对于精密机床，如数控机床、螺纹磨床、齿轮磨床等，还应安装在恒温室使用，以减小环境温度变化对加工精度的影响。

（4）采用补偿措施。当加工中工艺系统热变形不可避免地存在时，常采取一些补偿措施予以消除，例如数控机床中，滚珠丝杠工作时产生的热变形可采用“预拉法”予以消除。即丝杠加工时，螺距小于其规定值，装配时对丝杠施加拉力，使其螺距增大到标准值。由于丝杠内的拉应力大于其受热时的压力（热应力），故丝杠不产生受热变形。

（5）改善机床结构。除上述措施外，还应注意改善机床结构，减小其热变形。首先考虑结构的对称性。一方面传动元件（轴承、齿轮等）在箱体内安装应尽量对称，使其传给箱壁的热量均衡，变形相近；另一方面，有些零件（如箱体）应尽量采用热对称结构，以便受热均匀。

此外，还应注意合理选材，对精度要求高的零件尽量选用膨胀系数小的材料。

工艺系统热变形及解决方案

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