工艺系统热变形对加工精度的影响简介

在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生复杂的变形，一般把这种变形称为热变形，这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的加工误差。

热变形对加工精度影响比较大，特别是在精密加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差通常会占到工件加工总误差的40%～70%。

工艺系统热变形不仅影响加工精度，还影响加工效率。为了减少受热变形对加工精度的影响，通常通过预热机床获得热平衡，或降低切削用量以减少切削热和摩擦热，或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工，或增加工序（使粗、精加工分开）等。

高精、高效、自动化加工技术的发展，使工艺系统热变形问题变得更加突出，成为现代机械加工技术发展必须研究的重要问题。工艺系统是一个复杂系统，有许多因素影响其热变形，因而控制和减小热变形对加工精度的影响往往比较复杂。目前，无论在理论上还是在实践上都有许多尚待研究解决的问题。

1．工艺系统的热源

热总是由高温处传递向低温处的。热的传递方式有三种，即导热传热、对流传热和辐射传热。

引起工艺系统变形的热源可分为内部热源和外部热源两大类。内部热源主要包括切削热、摩擦热及派生热源，以切削热和摩擦热为主，它们产生于工艺系统内部，其热量主要以热传导的形式传递。外部热源主要是指工艺系统外部的、以对流传热为主要形式的环境温度（它与气温变化、通风、空气对流和周围环境等有关）和各种辐射热（包括由阳光、照明、暖气设备等发出的辐射热）。

切削热是切削加工过程中最主要的热源，它对工件加工精度的影响最为直接。影响切削热传导的主要因素是工件、刀具、夹具、机床等材料的导热性能，以及周围介质的情况。通常，在切削加工中，切屑带走的热量最多，可达50%～80%，传给工件的热量次之，约占30%，而传给刀具的热量则很少，一般不超过5%。对于铣削、刨削加工，传给工件的热量一般占总切削热的30%以下；对于钻削和卧式镗孔，因为有大量的切屑滞留在孔中，所以传给工件的热量比切削时要高，如在钻孔加工中传给工件的热量往往超过50%；磨削时磨屑很小，带走的热量很少，约为4%，大部分热量传入工件，达到84%左右，致使磨削表面的温度高达800～1 000℃。因此，磨削热既影响工件的加工精度，又影响工件的表面质量。(www.xing528.com)

摩擦热是机床中的各种运动副（如齿轮副、导轨副、丝杠螺母副、蜗轮蜗杆副等），在相对运动时因摩擦生热。这些热源将导致机床零部件的温度升高。其温升程度由于距离热源位置的不同而有所不同。此外，机床的各种动力源如液压系统、电动机等，工作时因能耗而发热。尽管摩擦热比切削热少，但摩擦热在工艺系统中是局部发热，会引起局部温升和变形，破坏了系统原有的几何精度，对加工精度也会带来严重影响。

外部热源主要是环境温度变化和由阳光、灯光及取暖设备等直接作用于工艺系统的辐射热。

环境温度主要指室温的变化和室温的均匀性。前者指室温的高低，一般的恒温室温度保持在20℃±1℃。后者指房间内各个区域的高低温差，主要和采暖通风的方式有关。工艺系统周围环境的温度随气温及昼夜温度的变化而变化，从而影响工件的加工精度。特别是在加工大型精密零件时影响更为明显，一个大型工件要经过几个昼夜的连续加工，由于昼夜温差的影响会使被加工表面产生形状误差及尺寸误差。

阳光、灯光及取暖设备等都会发生辐射，机床的辐射热因不同时间和不同位置而变化，引起机床各部分温升的变化，这在大型、精密加工时不能忽视。

2．工艺系统的热平衡和温度场概念

工艺系统在工作状态下，一方面受各种热源的作用使温度逐渐升高，另一方面它同时也通过各种传热方式向周围介质散发热量。当工件、刀具和机床的温度达到某一数值且单位时间内传出和传入的热量接近相等时，工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统各部分的温度保持在某一相对固定的数值上，工艺系统的热变形将趋于相对稳定。

由于作用于工艺系统各组成部分的热源，其发热量、位置和作用时间各不相同，各部分的热容量、散热条件也不一样，因此各部分的温升是不相同的。即使是同一物体，处于不同空间位置上的各点在不同时间其温度也是不等的。物体中各点温度的分布称为温度场。当物体未达到热平衡时，各点温度不仅是坐标位置的函数，还是时间的函数，这种温度场称为不稳态温度场。物体达到热平衡后，各点温度将不再随时间而变化，而只是其坐标位置的函数，这种温度场称为稳态温度场。