1．概述
在零件進行加工時，工藝系統(tǒng)在各種熱源的影響下，常產生復雜的變形，破壞了工件和刀具相對位置和相對運動的正確性，就會產生加工誤差。據統(tǒng)計，在精密加工中，由于熱變形引起的加工誤差占總加工誤差的![]()
，這不僅影響工件的加工精度，而且還影響表面質量。
2）傳動系統(tǒng)的摩擦等能量損耗產生的熱。主要是傳動系統(tǒng)中各運動副如軸承、齒輪、摩擦離合器、溜板和導軌、絲杠和螺母等的摩擦轉化的熱量及動力源如電動機、液壓系統(tǒng)等能量損耗轉化的熱量。這些熱量是機床熱變形的重要熱源。
ⅱ 外部熱源：外部熱源主要是指周圍環(huán)境溫度通過空氣的對流及日光、照明燈具、加熱器等環(huán)境熱源通過輻射傳到工藝系統(tǒng)的熱量。外部熱源的影響，有時也是不容忽視的。
（2）工藝系統(tǒng)的熱平衡
工藝系統(tǒng)開始進行加工時，工藝系統(tǒng)熱源將產生大量的熱，各個構件一方面吸收熱量，一方面向周圍介質散熱，液壓剛開始時各構件與外界介質的溫度差較小，因而向外界散熱的速度比從熱源吸收熱量的速度小，表現(xiàn)為各構件溫度不斷升高。工藝系統(tǒng)這種溫度分布稱為不穩(wěn)態(tài)溫度場，隨著各構件溫度的升高，當單位時間內系統(tǒng)產生的熱量與向周圍介質散發(fā)的熱量相等時，系統(tǒng)各點的溫度就將保持在穩(wěn)定狀態(tài)，這種狀態(tài)就是工藝系統(tǒng)熱平衡狀態(tài)。見圖5-26。
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圖45-27 車長軸時工件熱變形引
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，那么在2m長度上螺距累積誤差可達![]()
級絲杠在螺紋全長上允差僅![]()
級絲杠允差為![]()
，![]()
，就會產生平面度誤差![]()
是工件中性層亦即是截面形心與頂（底）面間的距離。
從以上分析可知工件單面受熱要求的誤差，對加工精度的影響是很嚴重的。為減少這一誤差，通常采取的措施是切削時使用充分的切削液以減少切削表面的溫升外，可采用誤差補償?shù)姆椒ǎ谘b夾工件時使工件上表面產生中間微凹的夾緊變形，以補償切削時工件單面受熱而拱起的誤差。或在磨削前精刨時把加工表面刨成中間微凹，磨削時兩端余量大，溫升比中間高，減少了工件受熱后中間的凸出，從而補償了誤差。
3．刀具熱變形
刀具熱變形的熱源主要也是切削熱。傳給刀具的切削熱雖然僅占總切削熱量的很少部分，但刀具質量小，熱容量也小，故仍會有很高的溫升，對加工精度亦有不小的影響。刀具受熱后，其溫升在刀具全長上是不等的，但如只研究其對加工精度的影響。可按刀具的工作部分（一般以刀具懸伸部分代替）的平均溫升來估算其熱伸長量。
（1）刀具連續(xù)工作時的熱變形
對較大的表面進行切削加工時（如車削較長的滾筒或在立式車床上車削大端面等），刀具連續(xù)工作時間較長，隨著切削時間的增加，刀具逐漸受熱伸長，就會造成工件產生形狀誤差（圓柱度或平面度誤差）。對一般切刀（車刀或刨刀），連續(xù)工作達到熱平衡時，其工作部分的最大平均溫升也可按有關公式估算，這里不做介紹。達到熱平衡后刀具的熱變形將不再發(fā)生變化，因而這時再進行切削，熱變形對加工精度的影響就會顯著減小。
刀具連續(xù)切削達到熱平衡后停止切削，其溫升和熱伸長量隨冷卻時間的增加而減少。具體情況見圖5-29。
（2）刀具間歇工作時的熱變形
成批、大量生產中，多采用調整法加工。在一次調整中加工一批工件時，刀具每切削一個工件后，由一段冷卻時間（裝拆工件等非切削時間），故其熱變形情況與連續(xù)工作時不同。在正常生產的情況下，特別是在自動、半自動機床上，刀具每加工一個工件的切削時間是相同的，停歇時間也基本上相等。這就是說：刀具的加熱和冷卻時按一定的節(jié)拍周期性的交替進行。因此，其熱變形曲線將如圖5-29所示。當?shù)毒咔邢鲿r的熱伸長量與刀具停止切削而冷卻時的收縮量恰好相等時，其熱變形就穩(wěn)定在這個范圍內。在這種加工方式中刀具的最大熱伸長量，影響這批工件的尺寸精度。熱變形穩(wěn)定后，每加工一個工件時刀具長度的變動量，只影響工件的形狀精度。
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，大型機床往往要超過![]()
車床主軸熱變形與運轉時間的關系。從圖中也可看出，在機床剛開始運轉的一段時間內，熱變形隨運轉時間的不同而變化，變形量也較大，因此加工精度很不穩(wěn)定。特別是自動、半自動機床或用調整法加工時，既要求在一次調整中能穩(wěn)定地獲得預期的加工精度，而且還要盡可能延長兩次調整鍵的切削時間，以提高生產率，這就必須充分考慮機床熱變形的影響。當加工精度要求較高時，在工作過程中如停機時間太長，也會引起機床溫升的波動而造成加工精度的不穩(wěn)定。在加工較大的表面時，不僅因為機床各部位的溫升不同，必須不一致，而且由于一次走刀需要較長時間，在開始走刀和走刀結束時，機床的溫升和熱變形也不一樣，就會導致工件較大的形狀誤差。
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圖5-31 采用強制冷卻的實驗曲線
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平面磨床采用了熱補償方法，將油池1搬出主機并做成一個單獨的油箱。另外在床身下部開出“熱補償油溝”2，利用帶有余熱的回油流經機床下部，使床身下部的溫度升高，以達到減少床身上、下部溫差的目的。采用這種措施后，床身上下部溫差降至![]()
降為![]()
螺紋磨床采用了自動檢測、自動控制的恒溫供液系統(tǒng)，一方面使整個工件淋浴在恒溫油中，另一方面再把恒溫油機床的空心母絲杠中，使工件與母絲杠的溫差不超過![]()
圖5-33 均衡立柱前后壁溫度場
（3）合理安排定位點位置
例如車床床頭箱在床身上的定位，圖5-34b中使主軸產生熱位移的有效長度![]()
因而圖![]()
圖5-34 定位點位置對熱變形的影響
（4）保持工藝系統(tǒng)的熱平衡
由熱變形規(guī)律可知，大的熱變形發(fā)生在機床開動后的一段時間內，當達到熱平衡后，熱變形趨于穩(wěn)定，此后加工精度才有保證。因此在精加工前可先使機床運轉一段時間（機床預熱），等達到或接近熱平衡時再開始加工，加工精度就比較穩(wěn)定。基于同樣原因，精加工機床應盡量避免中途停車以防止質量波動。為縮短機床預熱時間，機床空轉速度可高于實際加工時的速度。有些機床在適當部位附加“控制熱源”，在機床預熱階段認為給機床供熱，促使其迅速達到熱平衡狀態(tài)。當機床發(fā)熱狀態(tài)隨加工條件的變化而變化時，可通過“控制熱源”的加熱或冷卻來調節(jié)，使溫度分布迅速回到穩(wěn)定狀態(tài)。
（5）控制環(huán)境溫度
對精加工機床應避免陽光直接照射，布置取暖設備也應避免使機床受熱不均勻。對精密機床則應安裝在恒溫車間中使用。恒溫車間的恒溫指標有二：恒溫基數(shù)（即恒溫車間內空氣的平均溫度），和恒溫精度（即平均溫度的允許偏差）。我國幅員遼闊，不同地區(qū)不同季節(jié)的溫度相差很大。由于恒溫車間一般面積都較大，四周與大氣直接相連，要使全國各地任一季節(jié)都維持統(tǒng)一的恒溫基數(shù)，必然會大大增加恒溫設備的投資和運轉費用。根據長期生產實踐表明，采用季節(jié)調溫，使恒溫基數(shù)按季節(jié)而適當變動，可收到良好的效果。如上海地區(qū)的恒溫基數(shù)一般可取：夏季為![]()
、春季為![]()
，精度級為![]()
。在現(xiàn)代高精度、自動化生產中，工藝系統(tǒng)熱變形問題已越來越顯得突出，已成為機械加工工藝發(fā)展的一個重要研究課題。
（1）工藝系統(tǒng)的熱源
工藝系統(tǒng)變形的熱源主要有
ⅰ 內部熱源：內部熱源是指工藝系統(tǒng)內部產生的熱源，主要包括以下兩種熱量來源。
1）切削熱。切削過程中，切削層的彈、塑性變形及刀具與工件、切屑間摩擦將消耗大量的能量，所消耗的能量，絕大部分（99.5%左右）轉化為切削熱。這些熱量將傳到工件、刀具、切屑和周圍介質中去，成為工件和刀具熱變形的主要熱源。如車削加工，大量的切削熱被切屑帶走，傳給工件的一般為30%，高速切削時只有10%，傳給刀具的一般為5%。對于銑、刨削加工，傳給工件的熱量一般在30%以下。而鉆孔、臥式鏜削，因大量切屑留在孔內，因而傳給工件的熱量在50%以上。磨削大約有84%的熱量傳給工件，其切削區(qū)溫度可達![]()
圖5-26 工藝系統(tǒng)溫度-時間曲線
工藝系統(tǒng)在熱不平衡狀態(tài)下，其精度很不穩(wěn)定。因此保持工藝系統(tǒng)的熱平衡，縮短到達熱平衡所需時間，對保證構件的加工精度和提高生產率，有著重要的意義。
2．工件熱變形引起的加工誤差
工件熱變形引起的加工誤差主要是由于工件在切削加工時受熱膨脹，冷卻后尺寸收縮。
如在鉆孔后立即鏜孔或鉸孔，那么工件完全冷卻后孔徑收縮量已與IT7級精度的公差值相等，其加工精度很難保證。為避免工件粗加工時的熱變形對精加工的影響，在安排工藝過程時應盡可能把粗精加工分開在二個工序中進行，使粗加工后有足夠的冷卻時間。
如車削一般的軸類零件時由于在沿工件軸向位置上切削時間有先后，開始切削時工件溫升為零，隨著切削的進行，工件逐漸受熱脹大，到走刀終了時工件直徑增量最大，因而車刀的時間切深隨走刀兒逐漸增大，工件冷卻后就會出現(xiàn)近似錐度的圓柱度誤差，如圖5-27所示。
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圖5-28 工件單面受熱時的彎曲變形
起的形狀變形
同時車削細長軸時的熱軸向伸長是加工絲杠等零件時相影響螺距誤差的主要因素之一。假設工件與母絲杠的溫度相差![]()
，而![]()
（![]()
），可見影響是非常顯著的。至于對一般零件，因軸向尺寸精度要求大多低于徑向，故影響還不大，但裝夾時如將工件兩端頂?shù)锰o，使工件的熱伸長受阻，會產生很多的熱應力，導致工件彎曲變形，就將對加工精度產生很大的影響。
在進行銑、刨、磨平面等加工時，工件只在單面受到切削熱作用，上、下表面的溫差會導致工件拱起，中間就被多切去部分材料，加工完畢完全冷卻后，加工表面就產生中凹的平面度誤差。如圖5-28所示，當![]()
時，上、下表面間的溫度差![]()
。其中![]()
1-連續(xù)車削；2-間斷車削；3-冷卻
tg-切削時間；tj-間斷時間
圖5-29 刀具熱變形
4．機床熱變形
機床工作時受到多種熱源的影響，其熱量主要來自傳動系統(tǒng)中各傳動元件的摩擦熱、相對滑動速度較大的導軌與工作臺（或滑枕）的摩擦熱及液壓系統(tǒng)動力損耗轉化的熱量。切屑和切削液等派生熱源對床身熱變形也有一定影響。對于大型、精密機床，周圍環(huán)境溫度的變化對機床熱變形的影響，往往也占有重要地位。由于機床各部位機構形狀不同，熱源及其位置又不同，散熱條件也不一樣，因而形成復雜的溫度場合不規(guī)則的熱變形，破壞了機床的靜態(tài)精度，從而引起了相應的加工誤差。
分析機床熱變形對加工精度的影響，首先應分析其溫度場是否穩(wěn)定。機床達到熱平衡所需時間，一般都較長（中型機床約為![]()
）。圖5-30是![]()
圖5-30 CA6140車床主軸熱變形曲線
分析機床熱變形對加工精度的影響，還應分析熱位移方向與誤差敏感方向的相對角向位置。例如普通車床的誤差敏感方向是水平方向，故主軸在水平面內的熱位移對加工精度的影響是主要的。但在尾座上要裝夾孔加工刀具進行鉆、鉸、攻螺紋等工作時，則垂直面內的熱位移也就不能忽視。再如縱切自動車床的刀架分別配置在主軸四周徑向，故主軸熱變形對不同刀架的影響程度也不同，必須針對具體情況進行分析。
5．減少工藝系統(tǒng)熱變形的措施
為了減少熱變形對加工精度的影響，可以從以下幾方面采取措施。
（1）減少熱源；發(fā)熱和隔熱
切削熱是切削加工中最主要的熱源，減少切削熱可通過合理選擇切削（或磨削）用量和正確選擇刀具的幾何角度的方法，以減少熱量的產生。如粗加工時，為了保證生產率，往往選擇較大的背吃刀量和進給量，由于這時對加工精度的要求較低，因此熱變形對加工精度的影響不大；而精加工時，加工的目的主要是為了保證加工精度，所以要選擇小的背吃刀量和進給量，以減少熱變形。
為了減少機床的熱變形，凡是有可能從主機分離出去的熱源如電動機、變速箱、液壓裝置的油箱等，應盡可能放置在機床外部。對于不能和主機分離的熱源如主軸軸承、絲杠螺母副、高速運動的導軌副等則可從結果、潤滑等方面改善其摩擦特性，以減少發(fā)熱。例如采用靜壓軸承、靜壓導軌，改用低粘度潤滑油、鋰基潤滑脂等。
如熱源不能從機床分離出去，可在發(fā)熱部件與機床大件間用絕熱材料隔開。如T4163B立柱坐標鏜床上用石棉板隔熱罩把主電機和變速箱與機床立柱隔開，并將熱風排出就大大減少了機床的熱變形。對發(fā)熱量大的熱源，如既不能從機內移出，又不便隔熱，則可采用有效的冷卻措施如增加散熱面積或使用強制式的風冷、水冷、循環(huán)潤滑等。例如在一臺坐標鏜銑床的主軸箱內采用了強制濺油冷卻就大大減少了主軸的熱位移，同時也大大縮短了到達熱平衡的時間如圖4-32所示。
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圖5-32 M7150A型磨床的“熱補償油溝”
（2）用熱補償?shù)姆椒p少熱變形
單純的減少溫升往往不能收到滿意的效果，可采用熱補償?shù)姆椒ㄊ箼C床的溫度場比較均勻，從而使機床僅產生不影響有效加工精度的均勻熱變形。例如平面磨床，如將液壓系統(tǒng)的油池放在床身底部，則使床身上冷下熱而導致導軌產生中凹的熱變形；如將油池移到機外，則又形成上熱下冷而使導軌產生中凸的熱變形。圖5-32為![]()
，導軌中凹量由原來的![]()
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再如圖5-33所示平面磨床，利用電動機風扇排出的熱空氣，通過特設的管道導向立柱左側，以減少立柱兩側的溫差，從而減少了立柱的彎曲變形。
加工精密絲杠時，工件與母絲杠的溫差時造成工件螺距累積誤差的主要原因。![]()
，從而大大提高了加工精度的穩(wěn)定性。
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大于圖5-34a中的![]()
的主軸熱位移就較小。
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、冬季為![]()
。恒溫精度一般級為![]()
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