一、概述
在机械加工过程中,工艺系统在各种热源的影响下,常产生复杂的变形,破坏了工艺系统间的相对位置精度,造成了加工误差。据统计,在某些精密加工中,由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%~70%。热变形不仅降低了系统的加工精度,而且还影响了加工效率的提高。
(一)工艺系统的热源
引起工艺系统热变形的热源大致可分为两类:内部热源和外部热源。
内部热源包括切削热和摩擦热;外部热源包括环境温度和辐射热。切削热和摩擦热是工艺系统的主要热源。
(二)工艺系统的热平衡
工艺系统受各种热源的影响,其温度会逐渐升高。与此同时,它们也通过各种传热方式向周围散发热量。当单位时间内传入和散发的热量相等时,则认为工艺系统达到了热平衡。图4—23所示为一般机床工作时的温度和时间曲线,由图可知,机床开动后温度缓慢升高,经过一段时间温度升至t衡便趋于稳定。由开始升温至t衡的这一段时间,称为预热阶段。当机床温度达到稳定值后,则被认为处于热平衡阶段,此时温度场处于稳定,其热变形也就趋了稳定。处于稳定温度场时引起的加工误差是有规律的,因此,精密及大型工件应在工艺系统达到热平衡后进行加工。
二、机床热变形引起的加工误差
机床受热源的影响,各部分温度将发生变化,由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性,机床各部件将发生不同程度的热变形,破坏了机床原有的几何精度,从而引起了加工误差。
车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升,从而造成了机床主轴抬高和倾斜。图4—24所示为一台车床在空转时,主轴温升与位移的测量结果。主轴在水平方向的位移只有loμm,而垂直方向的位移却达到180~200μm。这对于刀具水平安装的卧式车床的加工精度影响较小,但对于刀具垂直安装的自动车床和转塔车床来说,对加工精度的影响就不容忽视了。
对大型机床如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件,其温差的影响也是很显著的。一般由于温度分层变化,床身上表面比床身的底面温度高而形成温差,因此床身将产生弯曲变形,表面呈中凸状如图4-25所示。
假设床身长l=3120mm,高h=620mm,温差δt=1℃,铸铁线膨胀系数a=11×10-6,床身的变形量为
δ=aδtl2/8h=11×10-6×1×(3120)2/8×620=0.022mm
这样,床身导轨的直线性明显受到影响。另外立柱和溜板也因床身的热变形而产生相应的位置变化(见图4-25)。
图4-26所示为几种机床热变形的趋势。
三、工件热变形引起的加工误差
轴类零件在车削或磨削时,一般是均匀受热,温度逐渐升高,其直径也逐渐胀大,胀大部分将被刀具切去,待工件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。
细长轴在*间车削时,热变形将使工件伸长,导致工件的弯曲变形,加工后将产生圆柱度误差。
精密丝杠磨削时,工件的受热伸长会引起螺距的积累误差。例如磨削长度为3000mm的丝杠,每一次走刀温度将升高3℃,工件热伸长量为δ=3000×12×lo-6×3=o.1mm(12×lo-6为钢材的热膨胀系数)。而6级丝杠螺距积累误差,按规定在全长上不许超过0.02mm,可见受热变形对加工精度影响的严重性。
床身导轨面的磨削,由于单面受热,与底面产生温差而引起热变形,使磨出的导轨产生直线度误差。
薄圆环磨削,如图4-27所示,虽近似均匀受热,但磨削时磨削热量大,工件质量小,温升高,在夹压处散热条件较好,该处温度较其他部分低,加工完毕工件冷却后,会出现棱圆形的圆度误差。
当粗精加工时间间隔较短时,粗加工时的热变形将影响到精加工,工件冷却后将产生加工误差。例如在一台三工位的组合机床上,通过钻-扩-铰孔三工位顺序加工套件。工件的尺寸为:外径φ440mm,长40mm,铰孔后内径φ20h7,材料为钢材。钻孔时切削用量为:n=3l0r/min,f=0.36mm/r。钻孔后温升竟达107℃,接着扩孔和铰孔。当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。因此,在这种情况下,一定要采取冷却措施,否则将出现废品。
应当指出,在加工铜、铝等线膨胀系数较大的有色金属时,其热变形尤其明显,必须引起足够的重视。
四、刀具热变形引起的加工误差
切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件,传到刀具上的热量不多,但因刀具切削部分质量小(体积小),热容量小,所以刀具切削部的温升大。例如用高速钢刀具车削时,刃部的温度高达700~800℃,刀具热伸长量可达o.03~o.05mm。因此对加工精度的影响不容忽略。图4-28所示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。当车刀连续车削时,车刀变形情况如曲线l,经过约l0~20min即f达到热平衡,此时车刀变形的影很小;当车刀停止切削后,车刀冷却变形过程如曲线3;当车削一批短小轴类零件时,加工由于需要装卸工件而时断时续,车刀进行间断切削,热变形在a范围内变动,其变形过程如曲线2
五、减少工艺系统热变形的主要途径
(一)减少发热和隔热
切削中内部热源是机床产生热变形的主要根源。为了减少机床的发热,在新的机床产品中凡是能从主机上分离出去的热源,一般都有分离出去的趋势。如电动机、齿轮箱、液压装置和油箱等已有不少分离出去的实例。对于不能分离出去的热源,如主轴轴承、丝杠副、高速运动的导轨副、摩擦离合器等,可从结构和润滑等方面改善其摩擦特性,减少发热,例如采用静承、静压导轨、低粘度润滑油、锂基润滑脂等。也可以用隔热材料将发热部件和机床大件分隔开来,如图4-29所示为在磨床砂轮架3和滑座6之间加入隔热垫5,使砂轮架上的热传不到滑座中;在快进油缸7的活塞杆与进给丝杠副9之间使用隔热联轴器8,以防进给油缸中油温的变化影响丝杠。
(二)、加强散热能力
为了消除机床内部热源的影响,可以采用强制冷却的办法,吸收热源发出的热量,从而控制机床的温升和热变形,这是近年来使用较多的一种方法。图4-30所示为一台坐标镗床采用强制冷却的试验结果。曲线l为没有采用强制冷却时的情况,机床运行6h后,主轴中心线到工作台的距离产生了190μm(垂直方向)的热变形,且尚未达到热平衡。曲线2为采用了强制冷却后,上述热变形减少到15μm,且在不到2h内机床就达到了热平衡,可见强制冷却的效果是非常显著的。
目前,大型数控床机、加工中心机床都普遍使用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却,以提高冷却的效果。
(三)用热补偿法减少热变形的影响
单纯的减少温升有时不能收到满意的效果,可采用热补偿法使机床的温度场比较均匀,从而使机床产生均勾的热变形以减少对加工精度的影响。图4-31所示为平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁,以减少立柱前后壁的温度差而减少立柱的弯曲变形。图中热空气从电动机风扇排出,通过特设的管道引向防护罩和立柱和后壁空间。采用这种措施后,工件端面平行度误差可降低为来的1/3~1/4。
(四)控制温度的变化
环境温度的变化和室内各部分的温差,将使工艺系统产生热变形,从而影响工件的加工精度和测量精度。因此,在加工或测量精密零件时,应控制室温的变化。
精密机床(如精密磨床、坐标镗床、齿轮磨床等)一般安装在恒温车间,以保持其温度的恒定。恒温精度一般控制在±l℃,精密级为±0.5℃,超精密级为±0.0l℃。
采用机床预热也是一种控制温度变化的方法。由热变形规律可知,热变形影响较大的是在工艺系统升温阶段,当达到热平衡后,热变形趋于稳定,加工精度就容易控制。因此,对精密机床特别是大型精密机床,可在加工前预先开动,高速空转,或人为地在机床的适当部位附设加热源预热,使它达到热平衡后再进行加工。基于同样原因,精密加工机床应尽量避免较长时间的中途停车。
西门子PM1507 24V/3 A
航空润滑油极压抗磨剂概述
围绕六大产业提质倍增 四川启动2023年度工程技术研究中心工作申报
关于高精度数控磨床加工作业对象的6大基本常识,来看你知道几个
肉类水分测定仪快速测定注水猪肉/牛肉/羊肉/鸡肉
工艺系统热变形对加工精度的影响
在挑选BURKERT流量计的时分需求留意哪些事项
高密封取样阀GMJ14F弯管高密封不锈钢针型取样阀的技术参数
高低温湿热试验室的标准组合设计及优势分析-豪恩
类型及使用方法科普
HYDAC压力传感器故障检测注意事项
垂直燃烧仪ASTM D6413
当前玻璃棉卷毡现价价格一般在多少钱?
数控相贯线切割机的发展
浙江省抽查43批次离心泵产品 不合格2批次
四川中药口服液澄清过滤设备的技术特点
数控机床数控加工众心的特点是钢筋滚丝机滚牙产品
双锥回转真空干燥有哪几点特性
4U工控机的日常维护
AT-L-11电脑式抗张试验机操作规程