机械加工中工艺系统受热变形引起的误差

1．工艺系统的热变形及其影响

    在机械加工过程中，工艺系统因受热引起的变形称为热变形。工艺系统的热变形破坏了工件与刀具相对位置的准确性，造成加工误差。据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%～70%。引起工艺系统热变形的热源主要有切削热、机床运动部件的摩擦热和外界热源的辐射等。

    工艺系统受各种热源的影响，温度会逐渐升高，与此同时，它们也通过各种方式向周围散发热量。当单位时间内传人和散发的热量相等时，工艺系统达到热平衡。此时的温度场处于稳定状态，受热变形也相应地处于稳定状态，由此引起的加工误差是有规律的，所以，精密加工应在热平衡之后进行。

    在加工中，机床的种类、加工方式、所使用的刀具及加工条件不同，引起的工艺系统热变形及其对加工精度的影响也不尽相同，在此不一一列举。需要说明的是，工艺系统的热变形对加工精度的影响，在一般加工中可不予考虑，但在精密加工或大型工件的加工中必须引起重视。

    2．减小工艺系统热变形的主要途径

    (1)分离热源。凡是可能分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、切削液系统等尽可能移出。对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，可从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热。

    (2)减少切削热。通过控制切削用量、合理选择和使用刀具来减少切削热。当零件精度要求高时，应注意将粗加工和精加工分开进行。

    (3)改善散热条件。使用大流量切削液，或喷雾等方法冷却，可带走大量切削热或磨削热。大型数控机床、加工中心普遍采用冷冻机，对润滑油、切削液进行强制冷却，以提高冷却效果。

    (4)保持工艺系统的热平衡。由热变形规律可知，在机床刚开始运转的一段时间内，温升较快，热变形大。当达到热平衡状态后，热变形趋于稳定，加工精度才易保证。因此，对于精密机床，特别是大型机床，可预先高速空运转或设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。

    (5)用热补偿的方法均衡温度场。当机床零部件温升均匀时，机床本身就呈现一种热稳定状态，从而使机床产生不影响加工精度的均匀热变形。对于床身较长的导轨磨床，为了均衡导轨面的热伸长，通常利用机床润滑系统回油的余热来提高床身下部的温度，使床身上下表面的温差减小，变形均匀。

    (6)控制环境温度。对于精密机床，一般应安装在恒温车间。对温度的控制要求为：一般精密级为±1℃，精密级为±0.5℃，超精密级为±0.01℃。恒温车间平均温度一般为20℃，但可根据季节和地区调整，如冬季可取17℃，夏季可取23℃，以节省能源。