一、概述 在機械加工過程中，工藝系統在各種熱源的影響下，常產生復雜的變形，破壞了工藝系統間的相對位置精度，造成了加工誤差。據統計，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的加工精度，而且還影響了加工效率的提高。 （一）工藝系統的熱源 引起工藝系統熱變形的熱源大致可分為兩類：內部熱源和外部熱源。 內部熱源包括切削熱和摩擦熱；外部熱源包括環境溫度和輻射熱。切削熱和摩擦熱是工藝系統的主要熱源。 （二）工藝系統的熱平衡 工藝系統受各種熱源的影響，其溫度會逐漸升高。與此同時，它們也通過各種傳熱方式向周圍散發熱量。當單位時間內傳入和散發的熱量相等時，則認為工藝系統達到了熱平衡。圖 4— 23所示為一般機床工作時的溫度和時間曲線，由圖可知，機床開動后溫度緩慢升高，經過一段時間溫度升至 T衡便趨于穩定。由開始升溫至 T衡的這一段時間，稱為預熱階段。當機床溫度達到穩定值后，則被認為處于熱平衡階段，此時溫度場處于穩定，其熱變形也就趨了穩定。處于穩定溫度場時引起的加工誤差是有規律的，因此，精密及大型工件應在工藝系統達到熱平衡后進行加工。 二、機床熱變形引起的加工誤差 機床受熱源的影響，各部分溫度將發生變化，由于熱源分布的不均勻和機床結構的復雜性，機床各部件將發生不同程度的熱變形，破壞了機床原有的幾何精度，從而引起了加工誤差。 車床類機床的主要熱源是主軸箱中的軸承、齒輪、離合器等傳動副的摩擦使主軸箱和床身的溫度上升，從而造成了機床主軸抬高和傾斜。圖 4— 24所示為一臺車床在空轉時，主軸溫升與位移的測量結果。主軸在水平方向的位移只有 lOμ m，而垂直方向的位移卻達到 180～ 200μ m。這對于刀具水平安裝的臥式車床的加工精度影響較小，但對于刀具垂直安裝的自動車床和轉塔車床來說，對加工精度的影響就不容忽視了。 對大型機床如導軌磨床、外圓磨床、龍門銑床等長床身部件，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，因此床身將產生彎曲變形，表面呈中凸狀如圖 4-25所示。 假設床身長 L=3120mm，高 H=620mm，溫差Δt=1℃ ，鑄鐵線膨脹系數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生相應的位置變化（見圖 4-25）。 圖 4-26所示為幾種機床熱變形的趨勢。 三、工件熱變形引起的加工誤差 軸類零件在車削或磨削時，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。 細長軸在頂尖間車削時，熱變形將使工件伸長，導致工件的彎曲變形，加工后將產生圓柱度誤差。 精密絲杠磨削時，工件的受熱伸長會引起螺距的積累誤差。例如磨削長度為 3000mm的絲杠，每一次走刀溫度將升高 3℃，工件熱伸長量為Δ＝ 3000× 12× lO -6 × 3＝ O .1mm(12× lO -6為鋼材的熱膨脹系數 )。而 6級絲杠螺距積累誤差，按規定在全長上不許超過 0.02mm，可見受熱變形對加工精度影響的嚴重性。 床身導軌面的磨削，由于單面受熱，與底面產生溫差而引起熱變形，使磨出的導軌產生直線度誤差。 薄圓環磨削，如圖 4-27所示，雖近似均勻受熱，但磨削時磨削熱量大，工件質量小，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，會出現棱圓形的圓度誤差。 當粗精加工時間間隔較短時，粗加工時的熱變形將影響到精加工，工件冷卻后將產生加工誤差。例如在一臺三工位的組合機床上，通過鉆 -擴 -鉸孔三工位順序加工套件。工件的尺寸為：外徑Φ 440mm，長 40mm，鉸孔后內徑Φ 20H7，材料為鋼材。鉆孔時切削用量為： n＝ 3l 0r／ min， f＝ 0.36mm /r。鉆孔后溫升竟達 107℃，接著擴孔和鉸孔。當工件冷卻后孔的收縮量已超過精度規定值。因此，在這種情況下，一定要采取冷卻措施，否則將出現廢品。 應當指出，在加工銅、鋁等線膨脹系數較大的有色金屬時，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削時，刃部的溫度高達 700～ 800℃，刀具熱伸長量可達 O.03～ O .05mm。因此對加工精度的影響不容忽略。圖 4-28所示為車削時車刀的熱變形與切削時間的關系曲線。當車刀連續車削時，車刀變形情況如曲線 l，經過約 l0～ 20min即 f達到熱平衡，此時車刀變形的影很小；當車刀停止切削后，車刀冷卻變形過程如曲線 3；當車削一批短小軸類零件時，加工由于需要裝卸工件而時斷時續，車刀進行間斷切削，熱變形在 A范圍內變動，其變形過程如曲線 2。 五、減少工藝系統熱變形的主要途徑 ( 一 )減少發熱和隔熱 切削中內部熱源是機床產生熱變形的主要根源。為了減少機床的發熱，在新的機床產品中凡是能從主機上分離出去的熱源，一般都有分離出去的趨勢。如電動機、齒輪箱、液壓裝置和油箱等已有不少分離出去的實例。對于不能分離出去的熱源，如主軸軸承、絲杠副、高速運動的導軌副、摩擦離合器等，可從結構和潤滑等方面改善其摩擦特性，減少發熱，例如采用靜壓軸承、靜壓導軌、低粘度潤滑油、鋰基潤滑脂等。也可以用隔熱材料將發熱部件和機床大件分隔開來，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；在快進油缸 7的活塞桿與進給絲杠副 9之間使用隔熱聯軸器 8，以防進給油缸中油溫的變化影響絲杠。 ( 二 )、加強散熱能力 為了消除機床內部熱源的影響，可以采用強制冷卻的辦法，吸收熱源發出的熱量，從而控制機床的溫升和熱變形，這是近年來使用較多的一種方法。圖 4-30所示為一臺坐標鏜床采用強制冷卻的試驗結果。曲線 l為沒有采用強制冷卻時的情況，機床運行 6h后，主軸中心線到工作臺的距離產生了 190μm(垂直方向 )的熱變形，且尚未達到熱平衡。曲線 2為采用了強制冷卻后，上述熱變形減少到 15μm，且在不到 2h內機床就達到了熱平衡，可見強制冷卻的效果是非常顯著的。 目前，大型數控床機、加工中心機床都普遍使用冷凍機對潤滑油和切削液進行強制冷卻，以提高冷卻的效果。 ( 三 )用熱補償法減少熱變形的影響 單純的減少溫升有時不能收到滿意的效果，可采用熱補償法使機床的溫度場比較均勻，從而使機床產生均勾的熱變形以減少對加工精度的影響。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。圖中熱空氣從電動機風扇排出，通過特設的管道引向防護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的 1/3～ 1/4。 ( 四 )控制溫度的變化 環境溫度的變化和室內各部分的溫差，將使工藝系統產生熱變形，從而影響工件的加工精度和測量精度。因此，在加工或測量精密零件時，應控制室溫的變化。 精密機床 (如精密磨床、坐標鏜床、齒輪磨床等 )一般安裝在恒溫車間，以保持其溫度的恒定。恒溫精度一般控制在± l℃，精密級為± 0.5℃，超精密級為 ± 0.0l℃。 采用機床預熱也是一種控制溫度變化的方法。由熱變形規律可知，熱變形影響較大的是在工藝系統升溫階段，當達到熱平衡后，熱變形趨于穩定，加工精度就容易控制。因此，對精密機床特別是大型精密機床，可在加工前預先開動，高速空轉，或人為地在機床的適當部位附設加熱源預熱，使它達到熱平衡后再進行加工。基于同樣原因，精密加工機床應盡量避免較長時間的中途停車。