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单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 机械加工质量分析与控制,第,一节 加工精度的概述,第二节,原理误差与工艺系统几何误差对加工精度的影响,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,第五节 加工误差的统计分析,第六节 保证加工精度的途径,第七节 机械加工表面质量,第四章 机械加工质量分析与控制,本节内容：,一、概述,二、工件热变形对加工精度的影响,三、刀具热变形对加工精度的影响,四、机床热变形对加工精度的影响,五、减少工艺系统热变形对加工精度影响的措施,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,热变形对工艺系统的影响,一、概述,热变形将破坏刀具与工件的正确位置和运动关系,在精密和大件加工中，热变形加工误差占工件总加工误差的,40%70%,。,热变形影响加工效率,为了减小加工热变形，切削前需要预热机床，或降低切削用量，或增加工序等。,在当今,高精度、高效率、自动化加工技术,的发展过程中，更应关注热变形对工艺系统的影响,。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,1.,工艺系统的热源,内部热源,产生于工艺系统,内部的切削热和摩擦热。,外部热源,来自于,工艺系统,外部的环境温度和各种辐射热。,热的传递方式有：,传导传热、对流传热、辐射传热,工艺系统的,变形热源,3,）环境及外部的辐射热,对机床各部分的变形有一定影响。特别在大型和精密机床加工时不能忽视。,这种热量均以对流和辐射的形式传递。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,1,）,切削热,是直接影响工件加工精度的主要热源。切削中消耗于切削层的变形能和刀具、工件和切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成切削热。,2,）摩擦热,由机床和液压系统中的运动部件所产生，,如电机、齿轮、泵、阀等部件产生的摩擦热。,均会引起局部温升和变形，破坏工艺系统原有的几何精度。,切削热和摩擦热均以传导的形式传递。,（,2,）工艺系统的温度场,当,一物体在空间不同位置上的各点温度不相等时，物体中各点温度的分布,称为温度场。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2.,工艺系统的热平衡和温度场,工艺系统在各种热源的影响下，温度会逐渐升高，同时也通过,空气、风扇、切削液,等多种方式，将热散发出去。,（,1,）工艺系统的热平衡,切削中，当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内散发出的热量与从热源传入的热量趋于相等，此时,称作工艺系统的热平衡。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,二、工件热变形对加工精度的影响,1.,工件比较均匀受热,工件产生热变形的热源主要是切削热。,（,1,）加工简单的轴、套、盘类零件的内、外圆,切削热较均匀地传入工件，温度沿工件全长和圆周的分布也较均匀。,长度上的热变形量：,工件上的热变形量：,这里,L,，,D,分别,为工件原有长度、直径（,mm,）；,为工件材料的线膨胀系数；,t,为温升。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,（,2,） 加,工较长的轴件,当,刀具沿工件轴向切削时，温升随着切削逐渐增加，工件直径随之逐渐胀大，刀具的背吃刀量随着走刀逐渐增大，,使加工后的工件外圆表面出现圆柱度误差。,（,3,）,加工精度较高的轴类零件,应采用弹性或液压尾顶尖，当工件受热伸长时，顶尖能轴向移位，避免工件受顶尖的压力而产生弯曲变形。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,例：,磨削,长,2000mm,丝杠，加工中温升,3,，热伸长量为：,工件热变形对精加工的影响较大，特别是细长件的精加工。,工件的热变形对粗加工的影响，,主要表现在粗、精工序集中工况，粗加工的热变形对精加工的影响较大。,（,4,）热变形对粗、精加工的影响,一般,6,级精度的丝杠累积误差要求全长,0.02mm,，由此可见热变形的严重性。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2.,工件不均匀受热,（,1,）铣、刨、磨削平面,工件单面受到切削热的作用，上下表面间的温差导致工件向上拱起。,加工时凸起部分被切去，冷却后工件变成下凹，造成平面度误差。,如图，平磨时产生的热变形挠度为,x,/,4,L,S,平面加工热变形,结论：,因,L,、,s,、,1,为定量,，,故控制热变形,x,，,必须减小温差,t,，,来减小热量的传入。,减小平面度误差的措施,使用切削液冷却,减小切削表面的温升。,采用误差补偿方法,装夹工件时，使工件表面产生微凹的夹紧变形，补偿切削时工件单面受热而拱起的误差。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,（,2,）大型精密板类零件的磨削加工,例如,：,床身导轨件，高,600mm,，长,2000mm,，磨削温差为,2.4,0,C,。,热变形挠度,x,=21,m,，大于精密导轨平直度要求。可见,大型工件单面受热引起的误差对加工精度的影响很严重。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,三、刀具热变形对加工精度的影响,刀具热变形,主要由切削热引起，反映在刀具的切削刃部分。,一般高速钢刀具的切削刃温度可达,700800,0,C,，硬质合金切削刃温度可达,1000,0,C,。,1.,切削条件对刀具热变的影响,（,1,）连续切削时,刀具的热变形在初始阶段很快，随后较为缓慢，经过,1020min,后，趋于热平衡状态。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2,）断续切削,刀具有短暂的冷却时间，热变形曲线具有热胀冷缩双重特性，总变形量比连续切削要小，最后稳定在,范围内变动。,3,）切削停止后,刀具升高的温度立即下降，开始冷却较快，随后逐渐减慢。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2.,刀具热变度对大型工件的影响,切削中刀具的热变会造成大型工件的几何形状误差。,例如,：,车细长轴时，由于刀具热伸长而产生锥度：尾座处的工件直径比主轴箱附近的工件直径大。,减少热变措施,合理选择切削用量和刀具几何参数；,实施充分的冷却液和润滑液，来减小切削热。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,四、机床热变形对加工精度的影响,1.,机床的不均匀温度场及其影响,由于机床机构的复杂性，在工作过程中受到热源的影响后，各部件的温升不同，而且同一部件的不同位置的温升也不同，因此，,形成了不均匀温度场。,机床的不均匀温度场，,使机床各部件之间相互位置发生变化，破坏其原有的几何精度而造成加工误差。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2.,机床的热平衡及热态几何精度,（,1,）热平衡,是指机床空运转时一段时间后，各部件传入的热量和散失的热量基本相等，变形趋于稳定的热平衡状态。,（,2,）热态几何精度,是指机床达到热平衡状态时的几何精度。,结论：,机床达到热平衡状态之前，机床的几何精度变化不定，对加工精度的影响也变化不定。,因此，精密加工应在机床处于热平衡之后进行。,（,3,）机床的热平衡时间,一般机床空运转的热平衡时间为,46h,，中小型精密机床为,12h,，大型精密机床超过,12h,。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,3.,热变形对各类机床加工精度的影响,（,1,）,在车、铣、钻、镗类机床中，,主轴箱的齿轮、轴承摩擦发热和润滑油发热是主要热源，,使主轴箱及相联的床身或立柱的温度升高而产生较大变形。,卧式车床主轴发热，主轴箱在垂直和水平面内发生偏移倾斜。,a,）车床热变形形态,0,1,2,3,4,运转时间,/,h,50,150,100,200,位移,/,m,20,40,60,80,温升,/,z,y,前轴承温升,b,）,温升与变形曲线,环境温度也会使床身发生热变形：,夏天地面温度一般低于车间室温，床身中凸；冬天地面温度高于车间室温，床身中凹。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,（,2,）,常用磨床的热变形,磨床的液压传动系统、高速旋转磨头以及大量的切削液，都是造成热变形的主要热源。,导轨磨床受热变形形态, 大型导轨磨床,机床的床身较长，导轨面与底面间稍有温差，就会产生较大的弯曲变形。,即大型机床的床身热变形是影响加工精度的主要因素。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响, 外圆磨床,在加工热变形的影响下，外圆磨床的砂轮轴线与工件轴线之间的距离会发生变化，产生平行度误差。,外圆磨床受热变形形态,砂轮轴线,工件轴线, 双端面磨床的热变形,当切削液喷向床身中部的顶面时，其局部受热产生中凸变形，使两砂轮的端面产生倾斜。,双端面磨床受热变形形态,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响, 立式平面磨床热变形,当平面磨床的主轴承和主电动机的发热量传到立柱时，立柱里侧的温度高于外侧，,引起立柱的弯曲变形，造成砂轮主轴与工件垂直度误差。,平面磨床受热变形形态,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,五、减少工艺系统变形对加工精度的影响,1.,减少热源发热和隔离热源,重点考虑：,如何减小精加工过程的切削热源。,解决方法：,1,）,采用较小的切削用量，减少切削热和磨削热。,2,）,粗、精加工分开，使工艺系统充分冷却，减少热变形。,3,）,尽可能将电动机、液压系统、变速箱等从机床主件中分离出去。,4,）,改善高速运动的导轨、轴承的摩擦性能。,5,）,采用冷却和强制冷却手段。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,2.,均衡温度场,此时磨床床身的上部温度高于其下部温度。,解决方法：,将液压油箱移出主机，制成单独液压油箱。,在床身下部配置热补偿油沟，使带有余热的油经热补偿油沟后再流回回油箱。,平面磨床补偿油沟,（,1,）,床身较长且工作台运动速度较高的磨床,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,（,2,）立式平面磨床,立式磨床工作中受热变形，易产生立柱向后倾斜变形。,均衡立柱前后壁温度场,热空气,解决方法：,如图，,采用热空气流动加热温升较低的立柱后壁，来均衡立柱前、后壁的温升。,通过软管将电风扇排出的热空气，引向立柱的后壁空间。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,3.,采用合理的机床部件结构及装配基准,（,1,） 采用热对称结构,在机床的主轴箱和变速箱中，将传动轴、轴承、传动齿轮等对称布置，使箱壁温升均匀，箱体变形减小。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,机床床身、立柱的结构和布局尽量对称，,如：,双立柱机床的主轴相对于工作台的热变形比单立柱机床要小。,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,（,2,）合理选择机床零部件的装配基准,在车床主轴箱的装配中，装配基准不同，造成的,“,主轴热位移,”,对加工精度也产生不同的影响。,图,a,：,主轴轴心线相对装配基准,H,，在,z,方向产生的热位移，对加工精度影响较小,。,图,b,：,主轴轴心线在,y,、,z,两方向都有热位移，而,y,方向的热位移直接影响刀具与工件的法向相对位置，造成的加工误差较大。,(,b,),第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,4.,加速达到热平衡,对于精密的大型机床，达到热平衡的时间较长。,应采用快速达到热平衡的方法。,在加工前，使机床作高速空运转。,在机床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，以快速达到热平衡。,5.,控制环境温度,对于精密机床及其自动生产线，应设置在平均温度为,20,0,C,左右的恒温车间运行。,第二节 原理误差与工艺系统几何误差对加工精度的影响,第四章,机械加工质量与控制,结束,第四节 工艺系统热变形对,加工精度的影响,
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