24new熱變形對(duì)加工精度的影響課件

機(jī)械制造工藝學(xué)

主講：胡大超2.4工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)加工精度的影響1機(jī)械制造工藝學(xué)一、概述工藝系統(tǒng)熱變形：工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生的溫度變形。工藝系統(tǒng)在各種熱源作用下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱變形，從而破壞工件與刀具間正確的相對(duì)位置，造成加工誤差。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%~70%。工藝系統(tǒng)的熱變形不僅嚴(yán)重地影響加工精度，而且還影響加工效率的提高。實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工后，加工誤差不能再由人工進(jìn)行補(bǔ)償，全靠機(jī)床自動(dòng)控制，因此熱變形的影響就顯得特別重要。工藝系統(tǒng)熱變形的問題已成為機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大研究課題。2一、概述工藝系統(tǒng)熱變形：工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生的溫(一)工藝系統(tǒng)的熱源及傳遞熱源切削熱摩擦熱外部熱源內(nèi)部熱源環(huán)境溫度熱輻射日光、照明、暖氣、體溫等氣溫、室溫變化、熱、冷風(fēng)等電機(jī)、軸承、齒輪、油泵等工件、刀具、切屑、切削液工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響，其溫度會(huì)逐漸升高。同時(shí)，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。3(一)工藝系統(tǒng)的熱源及傳遞熱源切削熱摩擦熱外部熱源內(nèi)部熱源環(huán)(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場(chǎng)概念工藝系統(tǒng)的熱平衡:當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時(shí)，工藝系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。熱平衡時(shí)工藝系統(tǒng)的熱變形也就達(dá)到某種程度的穩(wěn)定。

不穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)熱平衡物體中各點(diǎn)的溫度分布稱為溫度場(chǎng),T=f(x,y,z,t)物體達(dá)到熱平衡后，各點(diǎn)溫度將不再隨時(shí)間而變化，只是其坐標(biāo)位置的函數(shù)。這種溫度場(chǎng)稱為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)當(dāng)物體未達(dá)熱平衡時(shí)，各點(diǎn)溫度不僅是坐標(biāo)位置的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)。這種溫度場(chǎng)稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)4(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場(chǎng)概念工藝系統(tǒng)的熱平衡:當(dāng)單位時(shí)機(jī)床在開始工作的一段時(shí)間內(nèi)，其溫度場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其精度也是很不穩(wěn)定的，工作一定時(shí)間后，溫度才逐漸趨于穩(wěn)定，其精度也比較穩(wěn)定。因此，精密加工應(yīng)在熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行。在生產(chǎn)中，必須注意:5機(jī)床在開始工作的一段時(shí)間內(nèi)，其溫度場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其二、工件熱變形及其對(duì)加工精度影響(一)工件均勻受熱對(duì)于一些形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱的零件，如軸、套筒等，加工時(shí)（如車削、磨削）切削熱能較均勻地傳入工件，工件熱變形量可按下式估算：△L=αL△t式中α——工件材料的熱膨脹系數(shù)，單位為1/℃；L——工件在熱變形方向的尺寸，單位為mm；△t——工件溫升，單位為℃。6二、工件熱變形及其對(duì)加工精度影響(一)工件均勻受熱對(duì)于一些形例如：在磨削400mm長(zhǎng)的絲杠螺紋時(shí)，每磨一次溫度升高1℃，則被磨絲杠將伸長(zhǎng)△L=1.17×10-5×400×1mm=0.0047mm而5級(jí)絲杠的螺距累積誤差在400mm長(zhǎng)度上不允許超過5μm左右。因此，熱變形對(duì)工件加工精度影響很大。實(shí)例在精密絲桿加工中，工件的熱伸長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生螺距的累積誤差。在較長(zhǎng)的軸類零件加工中，將出現(xiàn)錐度誤差。7例如：在磨削400mm長(zhǎng)的絲杠螺紋時(shí)，每磨一次溫度升高1℃(二)工件不均勻受熱在刨削、銑削、磨削加工平面時(shí)，工件單面受熱，上下平面間產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完畢冷卻后，加工表面就產(chǎn)生了中凹，造成了幾何形狀誤差。8(二)工件不均勻受熱在刨削、銑削、磨削加工平面時(shí)，工件單面三、刀具熱變形及其對(duì)加工精度影響

刀具熱變形主要是由切削熱引起的。切削加工時(shí)雖然大部分切削熱被切屑帶走，傳入刀具的熱量并不多，但由于刀具體積小，熱容量小，導(dǎo)致刀具切削部分的溫升急劇升高，刀具熱變形對(duì)加工精度的影響比較顯著。車外圓時(shí)，車刀熱變形會(huì)使工件產(chǎn)生圓柱度誤差（錐度）。加工內(nèi)孔又如何？9三、刀具熱變形及其對(duì)加工精度影響刀具車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線圖2-46圖示為車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。曲線A——車刀連續(xù)工作時(shí)的熱伸長(zhǎng)曲線；曲線B——間斷切削的熱變形。曲線C——冷卻曲線。連續(xù)切削時(shí)，刀具的熱變形在切削初始階段增加很快，隨后變得較緩慢，經(jīng)

長(zhǎng)的一段時(shí)間后(約10~20min)便趨于熱平衡狀態(tài)。此后，熱變形變化量非常小。通常刀具總的熱變形量可達(dá)0.03~0.05mm。10車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線圖2-46圖示為車削時(shí)應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，充分潤(rùn)滑，以減少切削熱，降低切削溫度。在生產(chǎn)中，必須注意:11應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，充分潤(rùn)滑，以減少切削熱四、機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度影響

機(jī)床各部分受熱不同（電氣；液壓；摩擦；切削；環(huán)境）→形成溫差→變形（膨脹）不一致→破壞原幾何精度→影響工件加工精度。各類機(jī)床其結(jié)構(gòu)、工作條件及熱源形式均不相同，因此機(jī)床各部件的溫升和熱變形情況是不一樣的。機(jī)床熱變形會(huì)使機(jī)床的靜態(tài)幾何精度發(fā)生變化而影響加工精度，其中主軸部件、床身、導(dǎo)軌、立柱、工作臺(tái)等部件的熱變形，對(duì)加工精度影響最大。12四、機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度影響機(jī)床各部分受熱不同（電氣；

（1）車、銑、鉆、鏜,機(jī)床的主要熱源及其加工精度影響熱源:主軸箱中的齒輪、軸承摩擦發(fā)熱、潤(rùn)滑油發(fā)熱。圖車床的熱變形車床主要熱源（齒輪箱，軸承摩擦，潤(rùn)滑油發(fā)熱）→主軸箱（主軸傾斜）→床身（立柱）（導(dǎo)軌凸）。13（1）車、銑、鉆、鏜,機(jī)床的主要熱源及其加工精度影響圖（2）大型機(jī)床熱變形龍門銑、刨、導(dǎo)軌磨床、立式車床熱源：導(dǎo)軌副的摩擦熱，環(huán)境溫度導(dǎo)軌磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床身內(nèi)，下高，中凹；導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱，床身的上部溫度高于下部，導(dǎo)軌中凸變形。14（2）大型機(jī)床熱變形導(dǎo)軌磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床（3）磨床類機(jī)床的熱變形熱源：高速砂輪主軸軸承的發(fā)熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱{冷卻液帶走磨削熱----床身.）平面磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床身內(nèi)，床身的下部溫度高于上部，中凹變形；導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱，床身的上部溫度高于下部，導(dǎo)軌中凸變形。15（3）磨床類機(jī)床的熱變形平面磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→外圓磨床：砂輪架→傾斜→工件直徑；工件頭架→傾斜→錐度雙端面磨床：砂輪架，冷卻液→床身中部→中凸→端面傾斜。16外圓磨床：砂輪架→傾斜→工件直徑；工件頭架→傾斜→錐度雙端面工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)粗加工加工精度的影響一般不予考慮。精加工工藝系統(tǒng)熱變形的影響不能忽視。保持熱平衡狀態(tài)。對(duì)于精密加工，機(jī)床空轉(zhuǎn)加熱，達(dá)到熱平衡后在進(jìn)行加工。一般機(jī)床（車、磨床）4～6h，中小精密1～2h，大型精密機(jī)床12h以上。在生產(chǎn)中，注意:17工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)粗加工加工精度的影響一般不予考慮。精加(１)減小熱源的發(fā)熱和隔離熱源電動(dòng)機(jī)，變速箱，液壓，冷卻系統(tǒng)移出；用隔熱材料，阻擋熱源傳熱；潤(rùn)滑：改善磨擦，減少發(fā)熱；散熱，冷卻：帶走熱量，風(fēng)冷、水冷等強(qiáng)制冷卻。加工中心五、減少和控制工藝系統(tǒng)熱變形的主要途徑

圖3-5018(１)減小熱源的發(fā)熱和隔離熱源五、減少和控制工藝系統(tǒng)熱變形的（2）均衡溫度場(chǎng)圖3-5119（2）均衡溫度場(chǎng)圖3-5119

（4）加速達(dá)到熱平衡（5）控制環(huán)境溫度:恒溫加工

（3）采用合理的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)及裝配基準(zhǔn)熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)合理的裝配基準(zhǔn)圖2-5220（3）采用合理的機(jī)床部件結(jié)構(gòu)及裝配基準(zhǔn)圖2-52202121例薄板磨削時(shí)的彎曲變形工件凸起量f可按圖所示圖形進(jìn)行估算。由于中心角φ很小，其中性層的長(zhǎng)度可近似認(rèn)為等于原長(zhǎng)L，則f=L/2tan(φ/4）≈Lφ/8且（R+H）φ-Rφ=αΔtLφ=αΔtL/H所以f≈αΔtL2/8H22例薄板磨削時(shí)的彎曲變形工件凸起量f誤差補(bǔ)償法右圖為受機(jī)床部件和工件自重影響，龍門刨床橫梁導(dǎo)軌彎曲變形會(huì)引起加工誤差。采用誤差補(bǔ)償法，在橫梁導(dǎo)軌制造時(shí)故意使導(dǎo)軌面產(chǎn)生向上的幾何形狀誤差，以抵消橫梁因自重而產(chǎn)生的向下垂的受力變形。23誤差補(bǔ)償法右圖為受機(jī)床部件和工件自重影響，龍門刨床橫梁導(dǎo)時(shí)效

1）高溫時(shí)效：緩慢均勻的冷卻，適用于鑄、鍛、焊件；

2）低溫時(shí)效：緩慢均勻的冷卻，適用于半精加工后的工件，主要是消除工件的表面應(yīng)力；3）自然時(shí)效：自然釋放。24時(shí)效

1）高溫時(shí)效：緩慢均勻的冷卻，適用于鑄、鍛、焊件；龍門銑床25龍門銑床252626機(jī)械制造工藝學(xué)

主講：胡大超2.4工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)加工精度的影響27機(jī)械制造工藝學(xué)一、概述工藝系統(tǒng)熱變形：工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生的溫度變形。工藝系統(tǒng)在各種熱源作用下，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的熱變形，從而破壞工件與刀具間正確的相對(duì)位置，造成加工誤差。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%~70%。工藝系統(tǒng)的熱變形不僅嚴(yán)重地影響加工精度，而且還影響加工效率的提高。實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工后，加工誤差不能再由人工進(jìn)行補(bǔ)償，全靠機(jī)床自動(dòng)控制，因此熱變形的影響就顯得特別重要。工藝系統(tǒng)熱變形的問題已成為機(jī)械加工技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重大研究課題。28一、概述工藝系統(tǒng)熱變形：工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生的溫(一)工藝系統(tǒng)的熱源及傳遞熱源切削熱摩擦熱外部熱源內(nèi)部熱源環(huán)境溫度熱輻射日光、照明、暖氣、體溫等氣溫、室溫變化、熱、冷風(fēng)等電機(jī)、軸承、齒輪、油泵等工件、刀具、切屑、切削液工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響，其溫度會(huì)逐漸升高。同時(shí)，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。29(一)工藝系統(tǒng)的熱源及傳遞熱源切削熱摩擦熱外部熱源內(nèi)部熱源環(huán)(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場(chǎng)概念工藝系統(tǒng)的熱平衡:當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時(shí)，工藝系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。熱平衡時(shí)工藝系統(tǒng)的熱變形也就達(dá)到某種程度的穩(wěn)定。

不穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)熱平衡物體中各點(diǎn)的溫度分布稱為溫度場(chǎng),T=f(x,y,z,t)物體達(dá)到熱平衡后，各點(diǎn)溫度將不再隨時(shí)間而變化，只是其坐標(biāo)位置的函數(shù)。這種溫度場(chǎng)稱為穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)當(dāng)物體未達(dá)熱平衡時(shí)，各點(diǎn)溫度不僅是坐標(biāo)位置的函數(shù)，也是時(shí)間的函數(shù)。這種溫度場(chǎng)稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)30(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場(chǎng)概念工藝系統(tǒng)的熱平衡:當(dāng)單位時(shí)機(jī)床在開始工作的一段時(shí)間內(nèi)，其溫度場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其精度也是很不穩(wěn)定的，工作一定時(shí)間后，溫度才逐漸趨于穩(wěn)定，其精度也比較穩(wěn)定。因此，精密加工應(yīng)在熱平衡狀態(tài)下進(jìn)行。在生產(chǎn)中，必須注意:31機(jī)床在開始工作的一段時(shí)間內(nèi)，其溫度場(chǎng)處于不穩(wěn)定狀態(tài)，其二、工件熱變形及其對(duì)加工精度影響(一)工件均勻受熱對(duì)于一些形狀簡(jiǎn)單、對(duì)稱的零件，如軸、套筒等，加工時(shí)（如車削、磨削）切削熱能較均勻地傳入工件，工件熱變形量可按下式估算：△L=αL△t式中α——工件材料的熱膨脹系數(shù)，單位為1/℃；L——工件在熱變形方向的尺寸，單位為mm；△t——工件溫升，單位為℃。32二、工件熱變形及其對(duì)加工精度影響(一)工件均勻受熱對(duì)于一些形例如：在磨削400mm長(zhǎng)的絲杠螺紋時(shí)，每磨一次溫度升高1℃，則被磨絲杠將伸長(zhǎng)△L=1.17×10-5×400×1mm=0.0047mm而5級(jí)絲杠的螺距累積誤差在400mm長(zhǎng)度上不允許超過5μm左右。因此，熱變形對(duì)工件加工精度影響很大。實(shí)例在精密絲桿加工中，工件的熱伸長(zhǎng)會(huì)產(chǎn)生螺距的累積誤差。在較長(zhǎng)的軸類零件加工中，將出現(xiàn)錐度誤差。33例如：在磨削400mm長(zhǎng)的絲杠螺紋時(shí)，每磨一次溫度升高1℃(二)工件不均勻受熱在刨削、銑削、磨削加工平面時(shí)，工件單面受熱，上下平面間產(chǎn)生溫差，導(dǎo)致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完畢冷卻后，加工表面就產(chǎn)生了中凹，造成了幾何形狀誤差。34(二)工件不均勻受熱在刨削、銑削、磨削加工平面時(shí)，工件單面三、刀具熱變形及其對(duì)加工精度影響

刀具熱變形主要是由切削熱引起的。切削加工時(shí)雖然大部分切削熱被切屑帶走，傳入刀具的熱量并不多，但由于刀具體積小，熱容量小，導(dǎo)致刀具切削部分的溫升急劇升高，刀具熱變形對(duì)加工精度的影響比較顯著。車外圓時(shí)，車刀熱變形會(huì)使工件產(chǎn)生圓柱度誤差（錐度）。加工內(nèi)孔又如何？35三、刀具熱變形及其對(duì)加工精度影響刀具車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線圖2-46圖示為車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。曲線A——車刀連續(xù)工作時(shí)的熱伸長(zhǎng)曲線；曲線B——間斷切削的熱變形。曲線C——冷卻曲線。連續(xù)切削時(shí)，刀具的熱變形在切削初始階段增加很快，隨后變得較緩慢，經(jīng)

長(zhǎng)的一段時(shí)間后(約10~20min)便趨于熱平衡狀態(tài)。此后，熱變形變化量非常小。通常刀具總的熱變形量可達(dá)0.03~0.05mm。36車削時(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線圖2-46圖示為車削時(shí)應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，充分潤(rùn)滑，以減少切削熱，降低切削溫度。在生產(chǎn)中，必須注意:37應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，充分潤(rùn)滑，以減少切削熱四、機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度影響

機(jī)床各部分受熱不同（電氣；液壓；摩擦；切削；環(huán)境）→形成溫差→變形（膨脹）不一致→破壞原幾何精度→影響工件加工精度。各類機(jī)床其結(jié)構(gòu)、工作條件及熱源形式均不相同，因此機(jī)床各部件的溫升和熱變形情況是不一樣的。機(jī)床熱變形會(huì)使機(jī)床的靜態(tài)幾何精度發(fā)生變化而影響加工精度，其中主軸部件、床身、導(dǎo)軌、立柱、工作臺(tái)等部件的熱變形，對(duì)加工精度影響最大。38四、機(jī)床熱變形及其對(duì)加工精度影響機(jī)床各部分受熱不同（電氣；

（1）車、銑、鉆、鏜,機(jī)床的主要熱源及其加工精度影響熱源:主軸箱中的齒輪、軸承摩擦發(fā)熱、潤(rùn)滑油發(fā)熱。圖車床的熱變形車床主要熱源（齒輪箱，軸承摩擦，潤(rùn)滑油發(fā)熱）→主軸箱（主軸傾斜）→床身（立柱）（導(dǎo)軌凸）。39（1）車、銑、鉆、鏜,機(jī)床的主要熱源及其加工精度影響圖（2）大型機(jī)床熱變形龍門銑、刨、導(dǎo)軌磨床、立式車床熱源：導(dǎo)軌副的摩擦熱，環(huán)境溫度導(dǎo)軌磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床身內(nèi)，下高，中凹；導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱，床身的上部溫度高于下部，導(dǎo)軌中凸變形。40（2）大型機(jī)床熱變形導(dǎo)軌磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床（3）磨床類機(jī)床的熱變形熱源：高速砂輪主軸軸承的發(fā)熱和液壓系統(tǒng)的發(fā)熱{冷卻液帶走磨削熱----床身.）平面磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→床身內(nèi)，床身的下部溫度高于上部，中凹變形；導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱，床身的上部溫度高于下部，導(dǎo)軌中凸變形。41（3）磨床類機(jī)床的熱變形平面磨床：砂輪架→立柱；液壓→油池→外圓磨床：砂輪架→傾斜→工件直徑；工件頭架→傾斜→錐度雙端面磨床：砂輪架，冷卻液→床身中部→中凸→端面傾斜。42外圓磨床：砂輪架→傾斜→工件直徑；工件頭架→傾斜→錐度雙端面工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)粗加工加工精度的影響一般不予考慮。精加工工藝系統(tǒng)熱變形的影響不能忽視。保持熱平衡狀態(tài)。對(duì)于精密加工，機(jī)床空轉(zhuǎn)加熱，達(dá)到熱平衡后在進(jìn)行加工。一般機(jī)床（車、磨床）4～6h，中小精密1～2h，大型精密機(jī)床12h以上。在生產(chǎn)中，注意:43工藝系統(tǒng)的熱變形對(duì)粗加工加工精度的影響一般不予考慮。精加(１)減小熱源的發(fā)熱和隔離熱源電動(dòng)機(jī)，變速箱，液壓，冷卻系統(tǒng)移出