1．概述

    在零件進(jìn)行加工時(shí)，工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下，常產(chǎn)生復(fù)雜的變形，破壞了工件和刀具相對位置和相對運(yùn)動(dòng)的正確性，就會產(chǎn)生加工誤差。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的，這不僅影響工件的加工精度，而且還影響表面質(zhì)量。

    2）傳動(dòng)系統(tǒng)的摩擦等能量損耗產(chǎn)生的熱。主要是傳動(dòng)系統(tǒng)中各運(yùn)動(dòng)副如軸承、齒輪、摩擦離合器、溜板和導(dǎo)軌、絲杠和螺母等的摩擦轉(zhuǎn)化的熱量及動(dòng)力源如電動(dòng)機(jī)、液壓系統(tǒng)等能量損耗轉(zhuǎn)化的熱量。這些熱量是機(jī)床熱變形的重要熱源。

    ⅱ　外部熱源：外部熱源主要是指周圍環(huán)境溫度通過空氣的對流及日光、照明燈具、加熱器等環(huán)境熱源通過輻射傳到工藝系統(tǒng)的熱量。外部熱源的影響，有時(shí)也是不容忽視的。

    （2）工藝系統(tǒng)的熱平衡

    工藝系統(tǒng)開始進(jìn)行加工時(shí)，工藝系統(tǒng)熱源將產(chǎn)生大量的熱，各個(gè)構(gòu)件一方面吸收熱量，一方面向周圍介質(zhì)散熱，液壓剛開始時(shí)各構(gòu)件與外界介質(zhì)的溫度差較小，因而向外界散熱的速度比從熱源吸收熱量的速度小，表現(xiàn)為各構(gòu)件溫度不斷升高。工藝系統(tǒng)這種溫度分布稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場，隨著各構(gòu)件溫度的升高，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量與向周圍介質(zhì)散發(fā)的熱量相等時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的溫度就將保持在穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)就是工藝系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)。見圖5-26。

    圖45-27　車長軸時(shí)工件熱變形引

    ，那么在2m長度上螺距累積誤差可達(dá)級絲杠在螺紋全長上允差僅級絲杠允差為，，就會產(chǎn)生平面度誤差是工件中性層亦即是截面形心與頂（底）面間的距離。

    從以上分析可知工件單面受熱要求的誤差，對加工精度的影響是很嚴(yán)重的。為減少這一誤差，通常采取的措施是切削時(shí)使用充分的切削液以減少切削表面的溫升外，可采用誤差補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ谘b夾工件時(shí)使工件上表面產(chǎn)生中間微凹的夾緊變形，以補(bǔ)償切削時(shí)工件單面受熱而拱起的誤差。或在磨削前精刨時(shí)把加工表面刨成中間微凹，磨削時(shí)兩端余量大，溫升比中間高，減少了工件受熱后中間的凸出，從而補(bǔ)償了誤差。

    3．刀具熱變形

    刀具熱變形的熱源主要也是切削熱。傳給刀具的切削熱雖然僅占總切削熱量的很少部分，但刀具質(zhì)量小，熱容量也小，故仍會有很高的溫升，對加工精度亦有不小的影響。刀具受熱后，其溫升在刀具全長上是不等的，但如只研究其對加工精度的影響。可按刀具的工作部分（一般以刀具懸伸部分代替）的平均溫升來估算其熱伸長量。

    （1）刀具連續(xù)工作時(shí)的熱變形

    對較大的表面進(jìn)行切削加工時(shí)（如車削較長的滾筒或在立式車床上車削大端面等），刀具連續(xù)工作時(shí)間較長，隨著切削時(shí)間的增加，刀具逐漸受熱伸長，就會造成工件產(chǎn)生形狀誤差（圓柱度或平面度誤差）。對一般切刀（車刀或刨刀），連續(xù)工作達(dá)到熱平衡時(shí)，其工作部分的最大平均溫升也可按有關(guān)公式估算，這里不做介紹。達(dá)到熱平衡后刀具的熱變形將不再發(fā)生變化，因而這時(shí)再進(jìn)行切削，熱變形對加工精度的影響就會顯著減小。

    刀具連續(xù)切削達(dá)到熱平衡后停止切削，其溫升和熱伸長量隨冷卻時(shí)間的增加而減少。具體情況見圖5-29。

    （2）刀具間歇工作時(shí)的熱變形

    成批、大量生產(chǎn)中，多采用調(diào)整法加工。在一次調(diào)整中加工一批工件時(shí)，刀具每切削一個(gè)工件后，由一段冷卻時(shí)間（裝拆工件等非切削時(shí)間），故其熱變形情況與連續(xù)工作時(shí)不同。在正常生產(chǎn)的情況下，特別是在自動(dòng)、半自動(dòng)機(jī)床上，刀具每加工一個(gè)工件的切削時(shí)間是相同的，停歇時(shí)間也基本上相等。這就是說：刀具的加熱和冷卻時(shí)按一定的節(jié)拍周期性的交替進(jìn)行。因此，其熱變形曲線將如圖5-29所示。當(dāng)?shù)毒咔邢鲿r(shí)的熱伸長量與刀具停止切削而冷卻時(shí)的收縮量恰好相等時(shí)，其熱變形就穩(wěn)定在這個(gè)范圍內(nèi)。在這種加工方式中刀具的最大熱伸長量，影響這批工件的尺寸精度。熱變形穩(wěn)定后，每加工一個(gè)工件時(shí)刀具長度的變動(dòng)量，只影響工件的形狀精度。

    ，大型機(jī)床往往要超過車床主軸熱變形與運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的關(guān)系。從圖中也可看出，在機(jī)床剛開始運(yùn)轉(zhuǎn)的一段時(shí)間內(nèi)，熱變形隨運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間的不同而變化，變形量也較大，因此加工精度很不穩(wěn)定。特別是自動(dòng)、半自動(dòng)機(jī)床或用調(diào)整法加工時(shí)，既要求在一次調(diào)整中能穩(wěn)定地獲得預(yù)期的加工精度，而且還要盡可能延長兩次調(diào)整鍵的切削時(shí)間，以提高生產(chǎn)率，這就必須充分考慮機(jī)床熱變形的影響。當(dāng)加工精度要求較高時(shí)，在工作過程中如停機(jī)時(shí)間太長，也會引起機(jī)床溫升的波動(dòng)而造成加工精度的不穩(wěn)定。在加工較大的表面時(shí)，不僅因?yàn)闄C(jī)床各部位的溫升不同，必須不一致，而且由于一次走刀需要較長時(shí)間，在開始走刀和走刀結(jié)束時(shí)，機(jī)床的溫升和熱變形也不一樣，就會導(dǎo)致工件較大的形狀誤差。

    圖5-31　采用強(qiáng)制冷卻的實(shí)驗(yàn)曲線

    平面磨床采用了熱補(bǔ)償方法，將油池1搬出主機(jī)并做成一個(gè)單獨(dú)的油箱。另外在床身下部開出“熱補(bǔ)償油溝”2，利用帶有余熱的回油流經(jīng)機(jī)床下部，使床身下部的溫度升高，以達(dá)到減少床身上、下部溫差的目的。采用這種措施后，床身上下部溫差降至降為螺紋磨床采用了自動(dòng)檢測、自動(dòng)控制的恒溫供液系統(tǒng)，一方面使整個(gè)工件淋浴在恒溫油中，另一方面再把恒溫油機(jī)床的空心母絲杠中，使工件與母絲杠的溫差不超過

    圖5-33　均衡立柱前后壁溫度場

    （3）合理安排定位點(diǎn)位置

    例如車床床頭箱在床身上的定位，圖5-34b中使主軸產(chǎn)生熱位移的有效長度因而圖

    圖5-34　定位點(diǎn)位置對熱變形的影響

    （4）保持工藝系統(tǒng)的熱平衡

    由熱變形規(guī)律可知，大的熱變形發(fā)生在機(jī)床開動(dòng)后的一段時(shí)間內(nèi)，當(dāng)達(dá)到熱平衡后，熱變形趨于穩(wěn)定，此后加工精度才有保證。因此在精加工前可先使機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間（機(jī)床預(yù)熱），等達(dá)到或接近熱平衡時(shí)再開始加工，加工精度就比較穩(wěn)定。基于同樣原因，精加工機(jī)床應(yīng)盡量避免中途停車以防止質(zhì)量波動(dòng)。為縮短機(jī)床預(yù)熱時(shí)間，機(jī)床空轉(zhuǎn)速度可高于實(shí)際加工時(shí)的速度。有些機(jī)床在適當(dāng)部位附加“控制熱源”，在機(jī)床預(yù)熱階段認(rèn)為給機(jī)床供熱，促使其迅速達(dá)到熱平衡狀態(tài)。當(dāng)機(jī)床發(fā)熱狀態(tài)隨加工條件的變化而變化時(shí)，可通過“控制熱源”的加熱或冷卻來調(diào)節(jié)，使溫度分布迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)。

    （5）控制環(huán)境溫度

    對精加工機(jī)床應(yīng)避免陽光直接照射，布置取暖設(shè)備也應(yīng)避免使機(jī)床受熱不均勻。對精密機(jī)床則應(yīng)安裝在恒溫車間中使用。恒溫車間的恒溫指標(biāo)有二：恒溫基數(shù)（即恒溫車間內(nèi)空氣的平均溫度），和恒溫精度（即平均溫度的允許偏差）。我國幅員遼闊，不同地區(qū)不同季節(jié)的溫度相差很大。由于恒溫車間一般面積都較大，四周與大氣直接相連，要使全國各地任一季節(jié)都維持統(tǒng)一的恒溫基數(shù)，必然會大大增加恒溫設(shè)備的投資和運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用。根據(jù)長期生產(chǎn)實(shí)踐表明，采用季節(jié)調(diào)溫，使恒溫基數(shù)按季節(jié)而適當(dāng)變動(dòng)，可收到良好的效果。如上海地區(qū)的恒溫基數(shù)一般可取：夏季為、春季為，精度級為。在現(xiàn)代高精度、自動(dòng)化生產(chǎn)中，工藝系統(tǒng)熱變形問題已越來越顯得突出，已成為機(jī)械加工工藝發(fā)展的一個(gè)重要研究課題。

    （1）工藝系統(tǒng)的熱源

    工藝系統(tǒng)變形的熱源主要有

    ⅰ　內(nèi)部熱源：內(nèi)部熱源是指工藝系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的熱源，主要包括以下兩種熱量來源。

    1）切削熱。切削過程中，切削層的彈、塑性變形及刀具與工件、切屑間摩擦將消耗大量的能量，所消耗的能量，絕大部分（99.5%左右）轉(zhuǎn)化為切削熱。這些熱量將傳到工件、刀具、切屑和周圍介質(zhì)中去，成為工件和刀具熱變形的主要熱源。如車削加工，大量的切削熱被切屑帶走，傳給工件的一般為30%，高速切削時(shí)只有10%，傳給刀具的一般為5%。對于銑、刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下。而鉆孔、臥式鏜削，因大量切屑留在孔內(nèi)，因而傳給工件的熱量在50%以上。磨削大約有84%的熱量傳給工件，其切削區(qū)溫度可達(dá)

    圖5-26　工藝系統(tǒng)溫度-時(shí)間曲線

    工藝系統(tǒng)在熱不平衡狀態(tài)下，其精度很不穩(wěn)定。因此保持工藝系統(tǒng)的熱平衡，縮短到達(dá)熱平衡所需時(shí)間，對保證構(gòu)件的加工精度和提高生產(chǎn)率，有著重要的意義。

    2．工件熱變形引起的加工誤差

    工件熱變形引起的加工誤差主要是由于工件在切削加工時(shí)受熱膨脹，冷卻后尺寸收縮。

    如在鉆孔后立即鏜孔或鉸孔，那么工件完全冷卻后孔徑收縮量已與IT7級精度的公差值相等，其加工精度很難保證。為避免工件粗加工時(shí)的熱變形對精加工的影響，在安排工藝過程時(shí)應(yīng)盡可能把粗精加工分開在二個(gè)工序中進(jìn)行，使粗加工后有足夠的冷卻時(shí)間。

    如車削一般的軸類零件時(shí)由于在沿工件軸向位置上切削時(shí)間有先后，開始切削時(shí)工件溫升為零，隨著切削的進(jìn)行，工件逐漸受熱脹大，到走刀終了時(shí)工件直徑增量最大，因而車刀的時(shí)間切深隨走刀兒逐漸增大，工件冷卻后就會出現(xiàn)近似錐度的圓柱度誤差，如圖5-27所示。

    圖5-28　工件單面受熱時(shí)的彎曲變形

    起的形狀變形

    同時(shí)車削細(xì)長軸時(shí)的熱軸向伸長是加工絲杠等零件時(shí)相影響螺距誤差的主要因素之一。假設(shè)工件與母絲杠的溫度相差，而（），可見影響是非常顯著的。至于對一般零件，因軸向尺寸精度要求大多低于徑向，故影響還不大，但裝夾時(shí)如將工件兩端頂?shù)锰o，使工件的熱伸長受阻，會產(chǎn)生很多的熱應(yīng)力，導(dǎo)致工件彎曲變形，就將對加工精度產(chǎn)生很大的影響。

    在進(jìn)行銑、刨、磨平面等加工時(shí)，工件只在單面受到切削熱作用，上、下表面的溫差會導(dǎo)致工件拱起，中間就被多切去部分材料，加工完畢完全冷卻后，加工表面就產(chǎn)生中凹的平面度誤差。如圖5-28所示，當(dāng)時(shí)，上、下表面間的溫度差。其中

    1-連續(xù)車削；2-間斷車削；3-冷卻

    tg-切削時(shí)間；tj-間斷時(shí)間

    圖5-29　刀具熱變形

    4．機(jī)床熱變形

    機(jī)床工作時(shí)受到多種熱源的影響，其熱量主要來自傳動(dòng)系統(tǒng)中各傳動(dòng)元件的摩擦熱、相對滑動(dòng)速度較大的導(dǎo)軌與工作臺（或滑枕）的摩擦熱及液壓系統(tǒng)動(dòng)力損耗轉(zhuǎn)化的熱量。切屑和切削液等派生熱源對床身熱變形也有一定影響。對于大型、精密機(jī)床，周圍環(huán)境溫度的變化對機(jī)床熱變形的影響，往往也占有重要地位。由于機(jī)床各部位機(jī)構(gòu)形狀不同，熱源及其位置又不同，散熱條件也不一樣，因而形成復(fù)雜的溫度場合不規(guī)則的熱變形，破壞了機(jī)床的靜態(tài)精度，從而引起了相應(yīng)的加工誤差。

    分析機(jī)床熱變形對加工精度的影響，首先應(yīng)分析其溫度場是否穩(wěn)定。機(jī)床達(dá)到熱平衡所需時(shí)間，一般都較長（中型機(jī)床約為）。圖5-30是

    圖5-30　CA6140車床主軸熱變形曲線

    分析機(jī)床熱變形對加工精度的影響，還應(yīng)分析熱位移方向與誤差敏感方向的相對角向位置。例如普通車床的誤差敏感方向是水平方向，故主軸在水平面內(nèi)的熱位移對加工精度的影響是主要的。但在尾座上要裝夾孔加工刀具進(jìn)行鉆、鉸、攻螺紋等工作時(shí)，則垂直面內(nèi)的熱位移也就不能忽視。再如縱切自動(dòng)車床的刀架分別配置在主軸四周徑向，故主軸熱變形對不同刀架的影響程度也不同，必須針對具體情況進(jìn)行分析。

    5．減少工藝系統(tǒng)熱變形的措施

    為了減少熱變形對加工精度的影響，可以從以下幾方面采取措施。

    （1）減少熱源；發(fā)熱和隔熱

    切削熱是切削加工中最主要的熱源，減少切削熱可通過合理選擇切削（或磨削）用量和正確選擇刀具的幾何角度的方法，以減少熱量的產(chǎn)生。如粗加工時(shí)，為了保證生產(chǎn)率，往往選擇較大的背吃刀量和進(jìn)給量，由于這時(shí)對加工精度的要求較低，因此熱變形對加工精度的影響不大；而精加工時(shí)，加工的目的主要是為了保證加工精度，所以要選擇小的背吃刀量和進(jìn)給量，以減少熱變形。

    為了減少機(jī)床的熱變形，凡是有可能從主機(jī)分離出去的熱源如電動(dòng)機(jī)、變速箱、液壓裝置的油箱等，應(yīng)盡可能放置在機(jī)床外部。對于不能和主機(jī)分離的熱源如主軸軸承、絲杠螺母副、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副等則可從結(jié)果、潤滑等方面改善其摩擦特性，以減少發(fā)熱。例如采用靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌，改用低粘度潤滑油、鋰基潤滑脂等。

    如熱源不能從機(jī)床分離出去，可在發(fā)熱部件與機(jī)床大件間用絕熱材料隔開。如T4163B立柱坐標(biāo)鏜床上用石棉板隔熱罩把主電機(jī)和變速箱與機(jī)床立柱隔開，并將熱風(fēng)排出就大大減少了機(jī)床的熱變形。對發(fā)熱量大的熱源，如既不能從機(jī)內(nèi)移出，又不便隔熱，則可采用有效的冷卻措施如增加散熱面積或使用強(qiáng)制式的風(fēng)冷、水冷、循環(huán)潤滑等。例如在一臺坐標(biāo)鏜銑床的主軸箱內(nèi)采用了強(qiáng)制濺油冷卻就大大減少了主軸的熱位移，同時(shí)也大大縮短了到達(dá)熱平衡的時(shí)間如圖4-32所示。

    圖5-32　M7150A型磨床的“熱補(bǔ)償油溝”

    （2）用熱補(bǔ)償?shù)姆椒p少熱變形

    單純的減少溫升往往不能收到滿意的效果，可采用熱補(bǔ)償?shù)姆椒ㄊ箼C(jī)床的溫度場比較均勻，從而使機(jī)床僅產(chǎn)生不影響有效加工精度的均勻熱變形。例如平面磨床，如將液壓系統(tǒng)的油池放在床身底部，則使床身上冷下熱而導(dǎo)致導(dǎo)軌產(chǎn)生中凹的熱變形；如將油池移到機(jī)外，則又形成上熱下冷而使導(dǎo)軌產(chǎn)生中凸的熱變形。圖5-32為，導(dǎo)軌中凹量由原來的。

    再如圖5-33所示平面磨床，利用電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇排出的熱空氣，通過特設(shè)的管道導(dǎo)向立柱左側(cè)，以減少立柱兩側(cè)的溫差，從而減少了立柱的彎曲變形。

    加工精密絲杠時(shí)，工件與母絲杠的溫差時(shí)造成工件螺距累積誤差的主要原因。，從而大大提高了加工精度的穩(wěn)定性。

    大于圖5-34a中的的主軸熱位移就較小。

    、冬季為。恒溫精度一般級為。 </spa