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1、機械制造工藝學(xué)主講：胡大超2.4工藝系統(tǒng)的熱變形對加工精度的影響1一、概述工藝系統(tǒng)熱變形：工藝系統(tǒng)會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位置，造成加工誤差。據(jù)統(tǒng)計，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。實現(xiàn)數(shù)控加工后，加工誤差不能再由人工進行補償，全靠機床自動控制，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械加工技術(shù)發(fā)展的一個重大研究課題。2(一)工藝系統(tǒng)的熱源
2、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、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，其溫度會逐漸升高。同時，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。3(二)工藝系統(tǒng)的熱平衡和溫度場概念工藝系統(tǒng)的熱平衡:當(dāng)單位時間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時，工藝系統(tǒng)達到了熱平衡狀態(tài)。熱平衡時工藝系統(tǒng)的熱變形也就達到某種程度的穩(wěn)定。不穩(wěn)態(tài)溫度場溫度場穩(wěn)態(tài)溫度場熱平衡物體中各點的溫度分布稱為溫度場,T=f(x,y,z,t)物體達到熱平衡后，各點溫度將不再隨時間而變化，只
3、是其坐標(biāo)位置的函數(shù)。這種溫度場稱為穩(wěn)態(tài)溫度場當(dāng)物體未達熱平衡時，各點溫度不僅是坐標(biāo)位置的函數(shù)，也是時間的函數(shù)。這種溫度場稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場4機床在開始工作的一段時間內(nèi)，其溫度場處于不穩(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)下進行。在生產(chǎn)中，必須注意:5二、工件熱變形及其對加工精度影響(一)工件均勻受熱對于一些形狀簡單、對稱的零件，如軸、套筒等，加工時（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
4、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例如：在磨削400mm長的絲杠螺紋時，每磨一次溫度升高1℃，則被磨絲杠將伸長△L=1.17×10-5×400×1mm=0.0047mm而5級絲杠的螺距累積誤差在400mm長度上不允許超過5μm左右。因此，熱變形對工件加工精度影響很大。實例在精密絲桿加工中，工件的熱伸長會產(chǎn)生螺距的累積誤差。在較長的軸類零件加工中，將出現(xiàn)錐度誤差。7(二)工件不均勻受熱在刨削、銑削、磨削加工平面時，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
5、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。8三、刀具熱變形及其對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，刀具熱變形對加工精度的影響比較顯著。車外圓時，車刀熱變形會使工件產(chǎn)生圓柱度誤差（錐度）。加工內(nèi)孔又如何？9車削時車刀的熱變形與切削時間的關(guān)系曲線圖2-46圖示為車削時車刀的熱變形與切削時間的關(guān)系曲線。曲線A——車刀連續(xù)工作時的熱伸長曲線；曲線B——間斷切削的熱變形。曲線C——冷卻曲線。連續(xù)切削時，
6、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)長的一段時間后(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0.03~0.05mm。10應(yīng)合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)，充分潤滑，以減少切削熱，降低切削溫度。在生產(chǎn)中，必須注意:11四、機床熱變形及其對加工精度影響機床各部分受熱不同（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。各類機床其結(jié)構(gòu)、工作條件及熱源形式均不相同，因此機床各部件的溫升和熱變形情況是不一樣的。機床熱變形會使機床的靜
7、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、工作臺等部件的熱變形，對加工精度影響最大。12（1）車、銑、鉆、鏜,機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，潤滑油發(fā)熱）→主軸箱（主軸傾斜）→床身（立柱）（導(dǎo)軌凸）。13（2）大型機床熱變形龍門銑、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（3）磨床類機床的熱變形熱源
8、：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外圓磨床：砂
