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。 （一）工藝系統(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。 （二）工藝系統(tǒng)的熱平衡 工藝系統(tǒng)受各種熱源的影響，其溫度會(huì)逐漸升高。與此同時(shí)，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發(fā)熱量。當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)傳入和散發(fā)的熱量相等時(shí)，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(shí)的溫度和時(shí)間曲線，由圖可知，機(jī)床開動(dòng)后溫度緩慢升高，經(jīng)過一段時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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。 二、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(dòng)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(tái)車床在空轉(zhuǎn)時(shí)，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 lOμ m，而垂直方向的位移卻達(dá)到 180～ 200μ m。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(dòng)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，因此床身將產(chǎn)生彎曲變形，表面呈中凸?fàn)钊鐖D 4-25所示。 假設(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=0.022 mm 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）。 圖 4-26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(shí)，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。 細(xì)長軸在頂尖間車削時(shí)，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。 精密絲杠磨削時(shí)，工件的受熱伸長會(huì)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。 床身導(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。 薄圓環(huán)磨削，如圖 4-27所示，雖近似均勻受熱，但磨削時(shí)磨削熱量大，工件質(zhì)量小，溫升高，在夾壓處散熱條件較好，該處溫度較其他部分低，加工完畢工件冷卻后，會(huì)出現(xiàn)棱圓形的圓度誤差。 當(dāng)粗精加工時(shí)間間隔較短時(shí)，粗加工時(shí)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(tái)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Φ 440mm，長 40mm，鉸孔后內(nèi)徑Φ 20H7，材料為鋼材。鉆孔時(shí)切削用量為： n＝ 3l 0r／ 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(shí)，其熱變形尤其明顯，必須引起足夠的重視。 四、刀具熱變形引起的加工誤差 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(shí)，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(shí)車刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)車刀連續(xù)車削時(shí)，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(shí)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)車削一批短小軸類零件時(shí)，加工由于需要裝卸工件而時(shí)斷時(shí)續(xù)，車刀進(jìn)行間斷切削，熱變形在 A范圍內(nèi)變動(dòng)，其變形過程如曲線 2。 五、減少工藝系統(tǒng)熱變形的主要途徑 ( 一 )減少發(fā)熱和隔熱 切削中內(nèi)部熱源是機(jī)床產(chǎn)生熱變形的主要根源。為了減少機(jī)床的發(fā)熱，在新的機(jī)床產(chǎn)品中凡是能從主機(jī)上分離出去的熱源，一般都有分離出去的趨勢。如電動(dòng)機(jī)、齒輪箱、液壓裝置和油箱等已有不少分離出去的實(shí)例。對于不能分離出去的熱源，如主軸軸承、絲杠副、高速運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)軌副、摩擦離合器等，可從結(jié)構(gòu)和潤滑等方面改善其摩擦特性，減少發(fā)熱，例如采用靜壓軸承、靜壓導(dǎo)軌、低粘度潤滑油、鋰基潤滑脂等。也可以用隔熱材料將發(fā)熱部件和機(jī)床大件分隔開來，如圖 4-29所示為在磨床砂輪架 3和滑座 6之間加入隔熱墊 5，使砂輪架上的熱傳不到滑座中；在快進(jìn)油缸 7的活塞桿與進(jìn)給絲杠副 9之間使用隔熱聯(lián)軸器 8，以防進(jìn)給油缸中油溫的變化影響絲杠。 ( 二 )、加強(qiáng)散熱能力 為了消除機(jī)床內(nèi)部熱源的影響，可以采用強(qiáng)制冷卻的辦法，吸收熱源發(fā)出的熱量，從而控制機(jī)床的溫升和熱變形，這是近年來使用較多的一種方法。圖 4-30所示為一臺(tái)坐標(biāo)鏜床采用強(qiáng)制冷卻的試驗(yàn)結(jié)果。曲線 l為沒有采用強(qiáng)制冷卻時(shí)的情況，機(jī)床運(yùn)行 6h后，主軸中心線到工作臺(tái)的距離產(chǎn)生了 190μm(垂直方向 )的熱變形，且尚未達(dá)到熱平衡。曲線 2為采用了強(qiáng)制冷卻后，上述熱變形減少到 15μm，且在不到 2h內(nèi)機(jī)床就達(dá)到了熱平衡，可見強(qiáng)制冷卻的效果是非常顯著的。 目前，大型數(shù)控床機(jī)、加工中心機(jī)床都普遍使用冷凍機(jī)對潤滑油和切削液進(jìn)行強(qiáng)制冷卻，以提高冷卻的效果。 ( 三 )用熱補(bǔ)償法減少熱變形的影響 單純的減少溫升有時(shí)不能收到滿意的效果，可采用熱補(bǔ)償法使機(jī)床的溫度場比較均勻，從而使機(jī)床產(chǎn)生均勾的熱變形以減少對加工精度的影響。圖 4-31所示為平面磨床采用熱空氣加熱溫升較低的立柱后壁，以減少立柱前后壁的溫度差而減少立柱的彎曲變形。圖中熱空氣從電動(dòng)機(jī)風(fēng)扇排出，通過特設(shè)的管道引向防護(hù)罩和立柱和后壁空間。采用這種措施后，工件端面平行度誤差可降低為來的 1/3～ 1/4。 ( 四 )控制溫度的變化 環(huán)境溫度的變化和室內(nèi)各部分的溫差，將使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生熱變形，從而影響工件的加工精度和測量精度。因此，在加工或測量精密零件時(shí)，應(yīng)控制室溫的變化。 精密機(jī)床 (如精密磨床、坐標(biāo)鏜床、齒輪磨床等 )一般安裝在恒溫車間，以保持其溫度的恒定。恒溫精度一般控制在± l℃，精密級為± 0.5℃，超精密級為 ± 0.0l℃。 采用機(jī)床預(yù)熱也是一種控制溫度變化的方法。由熱變形規(guī)律可知，熱變形影響較大的是在工藝系統(tǒng)升溫階段，當(dāng)達(dá)到熱平衡后，熱變形趨于穩(wěn)定，加工精度就容易控制。因此，對精密機(jī)床特別是大型精密機(jī)床，可在加工前預(yù)先開動(dòng)，高速空轉(zhuǎn)，或人為地在機(jī)床的適當(dāng)部位附設(shè)加熱源預(yù)熱，使它達(dá)到熱平衡后再進(jìn)行加工。基于同樣原因，精密加工機(jī)床應(yīng)盡量避免較長時(shí)間的中途停車。