工艺系统热变形对加工精度的影响（一）

魔神

    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 lOμ m，而垂直方向的位移却达到 180～ 200μ m。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=0.022 mm 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。