熱變形對加工精度的影響

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1、熱變形對加工精度的影響一、概述  在機(jī)械加工過程中,工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下,常產(chǎn)生復(fù)雜的變形,破壞了工藝系統(tǒng)間的相對位置精度,造成了加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì),在某些精密加工中,由于熱變形引起的加工誤差約占總加工誤差的40%~70%。熱變形不僅降低了系統(tǒng)的加工精度,而且還影響了加工效率的提高?! 。ㄒ唬┕に囅到y(tǒng)的熱源  引起工藝系統(tǒng)熱變形的熱源大致可分為兩類:內(nèi)部熱源和外部熱源。  內(nèi)部熱源包括切削熱和摩擦熱;外部熱源包括環(huán)境溫度和輻射熱。切削熱和摩擦熱是工藝系統(tǒng)的主要熱源?! 。ǘ┕に囅到y(tǒng)的熱平衡  工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響,其溫度會逐漸升高。與此同時,它們也通過各種傳熱方式

2、向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)單位時間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時,則認(rèn)為工藝系統(tǒng)達(dá)到了熱平衡。圖4—23所示為一般機(jī)床工作時的溫度和時間曲線,由圖可知,機(jī)床開動后溫度緩慢升高,經(jīng)過一段時間溫度升至T衡便趨于穩(wěn)定。由開始升溫至T衡的這一段時間,稱為預(yù)熱階段。當(dāng)機(jī)床溫度達(dá)到穩(wěn)定值后,則被認(rèn)為處于熱平衡階段,此時溫度場處于穩(wěn)定,其熱變形也就趨了穩(wěn)定。處于穩(wěn)定溫度場時引起的加工誤差是有規(guī)律的,因此,精密及大型工件應(yīng)在工藝系統(tǒng)達(dá)到熱平衡后進(jìn)行加工?! 《?、機(jī)床熱變形引起的加工誤差  機(jī)床受熱源的影響,各部分溫度將發(fā)生變化,由于熱源分布的不均勻和機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,機(jī)床各部件將發(fā)生不同程度的熱變形,破

3、壞了機(jī)床原有的幾何精度,從而引起了加工誤差。  車床類機(jī)床的主要熱源是主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升,從而造成了機(jī)床主軸抬高和傾斜。圖4—24所示為一臺車床在空轉(zhuǎn)時,主軸溫升與位移的測量結(jié)果。主軸在水平方向的位移只有l(wèi)Oμm,而垂直方向的位移卻達(dá)到180~200μm。這對于刀具水平安裝的臥式車床的加工精度影響較小,但對于刀具垂直安裝的自動車床和轉(zhuǎn)塔車床來說,對加工精度的影響就不容忽視了。??  對大型機(jī)床如導(dǎo)軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長床身部件,其溫差的影響也是很顯著的。一般由于溫度分層變化,床身上表面比床身的底面溫度高而形成溫差,因此

4、床身將產(chǎn)生彎曲變形,表面呈中凸?fàn)钊鐖D4-25所示?! 〖僭O(shè)床身長L=3120mm,高H=620mm,溫差Δt=1℃,鑄鐵線膨脹系數(shù)a=11×10-6,床身的變形量為  Δ=aΔtL2/8H=11×10-6×1×(3120)2/8×620=0.022mm  這樣,床身導(dǎo)軌的直線性明顯受到影響。另外立柱和溜板也因床身的熱變形而產(chǎn)生相應(yīng)的位置變化(見圖4-25)?! D4-26所示為幾種機(jī)床熱變形的趨勢。?  三、工件熱變形引起的加工誤差  軸類零件在車削或磨削時,一般是均勻受熱,溫度逐漸升高,其直徑也逐漸脹大,脹大部分將被刀具切去,待工件冷卻后則形成圓柱度和直徑尺寸的誤差?! ?/p>

5、細(xì)長軸在頂尖間車削時,熱變形將使工件伸長,導(dǎo)致工件的彎曲變形,加工后將產(chǎn)生圓柱度誤差?! 【芙z杠磨削時,工件的受熱伸長會引起螺距的積累誤差。例如磨削長度為3000mm的絲杠,每一次走刀溫度將升高3℃,工件熱伸長量為Δ=3000×12×lO-6×3=O.1mm(12×lO-6為鋼材的熱膨脹系數(shù))。而6級絲杠螺距積累誤差,按規(guī)定在全長上不許超過0.02mm,可見受熱變形對加工精度影響的嚴(yán)重性?! 〈采韺?dǎo)軌面的磨削,由于單面受熱,與底面產(chǎn)生溫差而引起熱變形,使磨出的導(dǎo)軌產(chǎn)生直線度誤差?! ”A環(huán)磨削,如圖4-27所示,雖近似均勻受熱,但磨削時磨削熱量大,工件質(zhì)量小,溫升高,在夾

6、壓處散熱條件較好,該處溫度較其他部分低,加工完畢工件冷卻后,會出現(xiàn)棱圓形的圓度誤差。?當(dāng)粗精加工時間間隔較短時,粗加工時的熱變形將影響到精加工,工件冷卻后將產(chǎn)生加工誤差。例如在一臺三工位的組合機(jī)床上,通過鉆-擴(kuò)-鉸孔三工位順序加工套件。工件的尺寸為:外徑Φ440mm,長40mm,鉸孔后內(nèi)徑Φ20H7,材料為鋼材。鉆孔時切削用量為:n=3l0r/min,f=0.36mm/r。鉆孔后溫升竟達(dá)107℃,接著擴(kuò)孔和鉸孔。當(dāng)工件冷卻后孔的收縮量已超過精度規(guī)定值。因此,在這種情況下,一定要采取冷卻措施,否則將出現(xiàn)廢品。應(yīng)當(dāng)指出,在加工銅、鋁等線膨脹系數(shù)較大的有色金屬時,其熱變形尤其明顯

7、,必須引起足夠的重視?!∷摹⒌毒邿嶙冃我鸬募庸ふ`差  切削熱雖然大部分被切屑帶走或傳入工件,傳到刀具上的熱量不多,但因刀具切削部分質(zhì)量小(體積小),熱容量小,所以刀具切削部的溫升大。例如用高速鋼刀具車削時,刃部的溫度高達(dá)700~800℃,刀具熱伸長量可達(dá)O.03~O.05mm。因此對加工精度的影響不容忽略。圖4-28所示為車削時車刀的熱變形與切削時間的關(guān)系曲線。當(dāng)車刀連續(xù)車削時,車刀變形情況如曲線l,經(jīng)過約l0~20min即f達(dá)到熱平衡,此時車刀變形的影很小;當(dāng)車刀停止切削后,車刀冷卻變形過程如曲線3;當(dāng)車削一批

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