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機(jī)床系統(tǒng)熱變形對(duì)精度的影響

2018-12-21 14:00:00

一、概述在機(jī)械加工過(guò)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(duì)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(lèi)：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(guò)各種傳熱方式向周?chē)l(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(kāi)動(dòng)后溫度緩慢升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間溫度升至 T衡便趨于穩(wěn)定。由開(kāi)始升溫至 T衡的這一段時(shí)間，稱(chēng)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(chǎng)處于穩(wěn)定，其熱變形也就趨了穩(wěn)定。處于穩(wěn)定溫度場(chǎng)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(chē)床類(lèi)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(chē)床在空轉(zhuǎn)時(shí)，主軸溫升與位移的測(cè)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(duì)于刀具水平安裝的臥式車(chē)床的加工精度影響較小，但對(duì)于刀具垂直安裝的自動(dòng)車(chē)床和轉(zhuǎn)塔車(chē)床來(lái)說(shuō)，對(duì)加工精度的影響就不容忽視了。


 

 


 

對(duì)大型機(jī)床如導(dǎo)軌磨床、外圓磨床、龍門(mén)銑床等長(zhǎng)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(zhǎng) 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(jiàn)圖 4-25）。 圖 4-26所示為幾種機(jī)床熱變形的趨勢(shì)。

 

三、工件熱變形引起的加工誤差軸類(lèi)零件在車(chē)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(zhǎng)軸在頂尖間車(chē)削時(shí)，熱變形將使工件伸長(zhǎng)，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(zhǎng)會(huì)引起螺距的積累誤差。例如磨削長(zhǎng)度為 3000mm的絲杠，每一次走刀溫度將升高 3℃，工件熱伸長(zhǎng)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(jí)絲杠螺距積累誤差，按規(guī)定在全長(zhǎng)上不許超過(guò) 0.02mm，可見(jiàn)受熱變形對(duì)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(guò)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(zhǎng) 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(guò)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(chē)削時(shí)，刃部的溫度高達(dá) 700～ 800℃，刀具熱伸長(zhǎng)量可達(dá) O.03～ O .05mm。因此對(duì)加工精度的影響不容忽略。圖 4-28所示為車(chē)削時(shí)車(chē)刀的熱變形與切削時(shí)間的關(guān)系曲線。當(dāng)車(chē)刀連續(xù)車(chē)削時(shí)，車(chē)刀變形情況如曲線 l，經(jīng)過(guò)約 l0～ 20min即 f達(dá)到熱平衡，此時(shí)車(chē)刀變形的影很小；當(dāng)車(chē)刀停止切削后，車(chē)刀冷卻變形過(guò)程如曲線 3；當(dāng)車(chē)削一批短小軸類(lèi)零件時(shí)，加工由于需要裝卸工件而時(shí)斷時(shí)續(xù)，車(chē)刀進(jìn)行間斷切削，熱變形在 A范圍內(nèi)變動(dòng)，其變形過(guò)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(shì)。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(duì)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(rùn)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(rùn)滑油、鋰基潤(rùn)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(kāi)來(lái)，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(lái)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(méi)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(jiàn)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(duì)潤(rùn)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(chǎng)比較均勻，從而使機(jī)床產(chǎn)生均勾的熱變形以減少對(duì)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(guò)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(lái)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(cè)量精度。因此，在加工或測(cè)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(chē)間，以保持其溫度的恒定。恒溫精度一般控制在± l℃，精密級(jí)為± 0.5℃，超精密級(jí)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(duì)精密機(jī)床特別是大型精密機(jī)床，可在加工前預(yù)先開(kāi)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(zhǎng)時(shí)間的中途停車(chē)。