机械加工中，工艺系统在各种热源的作用下产生一定的热变形。由于工艺系统热源分布的不均匀性及各环节结构、材料的不同，使工艺系统各部分的变形产生差异，从而破坏了刀具与工件的准确位置及运动关系，产生加工误差。尤其对于精密加工，热变形引起的加工误差占总加工误差的一半以上，因此，在近代精密自动化加工中，控制热变形对精加工的影响已成为一项重要的任务和研究任务。
1.工艺系统的热源
加工过程中，工艺系统的热源主要有两大类：内部热源和外部热源。
（1）内部热源
内部热源主要来自切削过程，它包括：
①切削热。切削过程中，切削金属层的弹性、塑性变形及刀具、工件、切屑间摩擦消耗的能量绝大多数转化为切削热。这些热能量以不同的比例传给工件、刀具、切屑及周围的介质。
②摩擦热。机床中的各种运动副，如导轨副、齿轮副、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副、摩擦离合器等，在相对运动时因摩擦而产生热量。机床的各种动力源如液压系统、电动机、马达等，工作时也要产生能量损耗而发热，这些热量是机床热变形的主要热源。
③派生热源。切削中的部分切削热由切屑、切削液传给机床床身，摩擦热由润滑油传给机床各处，从而使机床床身热变形，这部分热源称为派生热源。
（2）外部热源
外部热源主要来自外部环境。
①环境温度。一般来说，工作地周围环境随气温而变化，而且不同位置处的温度也各不相同，这种环境温度的差异有时也会影响加工精度。如加工大型精密件往往需要较长时间（有时甚至需要几个昼夜）。由于昼夜温差使工艺系统热变形不均匀，从而产生加工误差。
②热辐射。来自阳光、照明灯、暖气设备及人体等。
2.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6-6所示为一般机床工作时的温度和时间曲线，由图6-6可知，机床开动后温度缓慢升高，经过一段时间（2～6 h）后，温升才逐渐趋于稳定，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，其热变形也就趋于稳定，处于稳定温度场时引起的加工误差是有规律的。当机床处于平衡之前的预热期，温度随时间而升高，其热变形将随温度的升高而变化，故对加工精度影响比较大。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。
图6-6 温度和时间曲线
3.机床热变形引起的加工误差
由于机床的结构使工作条件差别很大，因此，引起热变形的主要热源也不大相同，大致分为以下三种：
①主要热源来自机床的主传动系统，如普通机床、六角机床、铣床、卧式镗床、坐标镗床等。
②主要热源来自机床导轨的摩擦，如龙门刨床、立式车床等。
③主要热源来自液压系统，如各种液压机床。(www.xing528.com)
热源的热量，一部分传给周围的介质，一部分传给热源近处的机床零部件和刀具，以致产生热变形，影响加工精度。由于机床各部分的体积较大，热容量也大，因而机床热变形进行缓慢（车床主轴箱温升一般不高于60℃）。实践表明，车床部件中受热最多变形最大的是主轴箱，其他部分如刀架、尾座等温升不高，热变形较小。
如图6-7所示的虚线表示车床的热变形。可以看出，车床主轴前轴承的温升最高。对加工精度影响最大的因素是主轴轴线的抬高和倾斜。实践表明主轴抬高是主轴轴承温度升高而引起主轴箱变形的结果，它约占总抬高量的70%；由机床热变形所引起的抬高量一般小于30%。影响主轴倾斜的主要原因是机床的受热弯曲，它约占总倾斜量的75%，主轴前后轴承的温差所引起的主轴倾斜只占25%。
图6-7 车床的热变形
4.刀具热变形及对加工精度的影响
切削过程中，一部分切削热传给刀具，尽管这部分热量很少（高速车削时只占1%～2%）但由于刀具体积较小，热容量较小，所以刀具切削部分的温升仍较高。例如高速钢车刀的工作表面温度可达500℃～600℃，刀具的热伸长量可达0.03～0.04 mm；从而产生加工误差，影响加工精度。
（1）刀具连续工作时的热变形引起的加工误差
当刀具连续工作时，如车削长轴或在立式车床车大端面，传给刀具的切削热随时间不断增加，刀具产生热变形而逐渐伸长，工件产生圆度误差或平面度误差。
（2）刀具间歇工作
当采用调整法加工一批短轴零件时，由于每个工件切削时间较短，刀具的受热与冷却间歇进行，故刀具的热伸长比较缓慢。
总的来说，刀具能够迅速达到热平衡，刀具的磨损又能与刀具的受热伸长进行部分补偿，故刀具热变形对加工质量影响并不显著。
5.工件热变形引起的加工误差
（1）工件均匀受热
当加工比较简单的轴、套、盘类零件的内外圆表面时，切削热比较均匀地传给工件，工件产生均匀热变形。加工盘类零件或较短的轴套类零件，由于加工行程较短，可以近似认为沿工件轴向方向的温升相等。因此，加工出的工件只产生径向尺寸误差而不产生形位误差，若工件精度要求不高，则可忽略热变形的影响。对于较长工件（如长轴）的加工，开始走刀时，工件温升较低，变形较小。随着切削的进行，工件温升逐渐升高，直径逐渐增大，因此，工件表面被切去的金属层厚度越来越大，冷却后不仅会产生径向尺寸误差，而且还会产生圆柱度误差。若该长轴工件用两顶尖装夹，且后顶尖固定锁紧，则加工中工件的轴向热伸长使工件产生弯曲并可能引起切削不稳。因此，加工长轴时，工人经常车一刀后转一下后顶尖，再车下一刀，或后顶尖改用弹簧顶尖，目的是消除工件热应力和弯曲变形。
对于轴向精度要求较高的工件（如精密丝杠），其热变形引起的伸长将产生螺距误差。因此，加工精密丝杠时必须采用有效冷却措施，减少工件过热伸长。
（2）工件不均匀受热
当工件进行铣、刨、磨等平面的加工时，工件单侧受热，上下表面温升不等，从而导致工件向上凸起，中间切去的材料较多。冷却后被加工表面呈凹形，这种现象对于加工薄片零件尤为突出。为了减小工件不均匀变形对加工精度的影响，应采取有效冷却措施，减小切削表面温升。
6.控制温度变化，均衡温度场
由于工艺系统温度变化引起工艺系统热变形变化，进而产生加工误差，并且具有随机性，因此，必须采取措施控制工艺系统温度变化，保持温度稳定，使热变形产生的加工误差其有规律性，便于采取相应措施给予补偿。对于床身较长的导轨磨床，为了均衡导轨面的热伸长，可利用机床润滑系统回油的余热来提高床身下部的温度，使床身上下表面的温差减小，变形均匀。
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