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工艺系统热变形对加工精度的影响
作者:广州依纳  发表时间:2013-03-04  点击:92
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%。热变形不仅调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到 T衡便趋于稳定。由开始升温到 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。http://www.12zc.com/080124zs1.jpg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 lOμ m,而垂直方向的位移却达到 180~ 200μ m。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。http://www.12zc.com/080124zs2.jpg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。http://www.12zc.com/080124zs3.jpg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=0.022 mm 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。http://www.12zc.com/080124zs4.jpg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D尖间车削时,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。http://www.12zc.com/080124zs5.jpg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Φ 440mm,长 40mm,铰孔后内径Φ 20H7,材料为钢材。钻孔时切削用量为: n= 3l 0r/ 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,B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。http://www.12zc.com/080124zs6.jpg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,例如采用静压轴承、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。http://www.12zc.com/080124zs7.jpg( 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X果是F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X果。http://www.12zc.com/080124zs8.jpg( 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X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调低为来的 1/3~ 1/4。http://www.12zc.com/080124zs9.jpg( 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。
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