机械加工的精度.ppt

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1、第十章第十章 机械加工的精度机械加工的精度第二讲工艺系统的受力变形与热变形2021/9/231主要内容主要内容 工艺系统刚度的概念 工艺系统受力变形对加工精度的影响 减少工艺系统受力变形的措施 工件内应力对加工精度的影响 工艺系统的热源 工艺系统的热变形对加工精度的影响 减少工艺系统热变形的措施2021/9/23日2山东大学 机械工程学院一、工艺系统受力变形现象一、工艺系统受力变形现象 机械加工过程中，工艺系统在切削力、夹紧力、传动力、重力及惯性力等外力作用下会产生变形，破坏了已调整好的刀具和工件之间的正确位置关系，使工件产生加工误差。例如，在车床上用顶尖装夹车削细长轴(不用跟刀架或中心架)，

2、会产生中间粗两头细腰鼓形的圆柱度误差，如图10-11所示。由此可见，工艺系统受力变形是加工过程中的一项很重要的原始误差。它不仅严重地影响工件的加工精度，而且还影响工件的加工表面质量，限制生产率的提高。2021/9/23日3山东大学 机械工程学院图图图图10-11 10-11 10-11 10-11 工艺系统受力变形产生加工误差工艺系统受力变形产生加工误差工艺系统受力变形产生加工误差工艺系统受力变形产生加工误差 2021/9/23日4山东大学 机械工程学院二、工艺系统的刚度二、工艺系统的刚度工艺系统是各种零件部件按不同连接方式和运动方式组合起来的总体，因此受力后的变形是复杂的，其中既有弹性变形，

3、也有塑性变形、间隙和摩擦等问题。为了比较工艺系统抵抗变形的能力，就需要建立刚度的概念。2021/9/23日5山东大学 机械工程学院刚度的原始定义刚度的原始定义是指：加到系统上的作用力是指：加到系统上的作用力F(N)F(N)与由它所引起的与由它所引起的同方向位移同方向位移y(mm)y(mm)的比值，即的比值，即N/mm这个定义是狭义的，是假定物体或系统在弹性变形时刚度不变或可近似看这个定义是狭义的，是假定物体或系统在弹性变形时刚度不变或可近似看作不变的情形下得出的。称为静刚度。作不变的情形下得出的。称为静刚度。考虑到事实上工艺系统的刚度一般是变值，用考虑到事实上工艺系统的刚度一般是变值，用F/y

4、F/y来定义就不能反映每一来定义就不能反映每一受力状态的刚度大小，只能反映刚度的平均值。受力状态的刚度大小，只能反映刚度的平均值。1.刚度的原始定义刚度的原始定义K越大，物体或系统抵抗变形能力越强，加工精度就越高。2021/9/23日6山东大学 机械工程学院2.2.2.2.工艺系统的静刚度工艺系统的静刚度工艺系统的静刚度工艺系统的静刚度切削加工过程中，在各种外力作用下，工艺系统各部分将在各个受力方向产生相应变形。对于工艺系统受力变形，主要研究误差敏感方向上的变形量。因此，工艺系统刚度定义为：N/mm这里所里所产生生的位移，不只是作用力本身引起的的位移，不只是作用力本身引起的，也包括其它也包括其

5、它不同方向作用力共同作用的不同方向作用力共同作用的结果果。由于力和变形通常都是在静态条件下测量的，故上述刚度称由于力和变形通常都是在静态条件下测量的，故上述刚度称为静刚度。为静刚度。作用于工件加工表面法线方向上的切削力与刀具在切削力Fy作用下相对于工件在法线方向位移y的比值，即2021/9/23日7山东大学 机械工程学院3.3.工艺系统刚度的计算工艺系统刚度的计算 工艺系统的总变形量y应是各个组成环节在同一处的法向变形的叠加，即 根据刚度定义，工艺系统各组成环节的刚度为 所以工艺系统刚度一般公式为 2021/9/23日8山东大学 机械工程学院工艺系统刚度(N/mm)；作用于工件加工表面法线方向

6、上的切削力(N)；工艺系统总的变形量(mm);工艺系统总的变形量（mm）；工艺系统刚度（N/mm）；机床变形（mm）；机床刚度（N/mm）；夹具变形（mm）；夹具刚度（N/mm）；刀具变形（mm）；刀具刚度(N/mm)；工件变形(mm)；工件刚度(N/mm)。式中式中 FyYxt2021/9/23日9山东大学 机械工程学院公式公式10-710-7表明，已知工艺系统各组成环节的刚度，表明，已知工艺系统各组成环节的刚度，即可求得工艺系统刚度。即可求得工艺系统刚度。对于工件和刀具，一般说来都是一些简单构件，可对于工件和刀具，一般说来都是一些简单构件，可用材料力学理论近似计算，如车刀的刚度可以按悬用材

7、料力学理论近似计算，如车刀的刚度可以按悬臂梁计算；用三爪卡盘夹持工件，工件的刚度可以臂梁计算；用三爪卡盘夹持工件，工件的刚度可以按悬臂梁计算；用顶尖加工细长轴，工件的刚度可按悬臂梁计算；用顶尖加工细长轴，工件的刚度可以按简支梁计算等；以按简支梁计算等；对于机床和夹具，结构比较复杂，通常用实验法测对于机床和夹具，结构比较复杂，通常用实验法测定其刚度。定其刚度。2021/9/23日10山东大学 机械工程学院三、工艺系统受力变形对加工精度的影响三、工艺系统受力变形对加工精度的影响切削力、切削力、2021/9/2311（一）切削力对加工精度的影响（一）切削力对加工精度的影响工艺系统受力变形对加工精度的

8、影响可以归纳为如下几种形式：2021/9/23日12山东大学 机械工程学院在车床上以前后两顶尖为支承车削光轴。在车床上以前后两顶尖为支承车削光轴。当当车车刀刀做做纵纵向向进进给给时时，切切削削力力的的作作用用点点不不断断移移动动，机机床床、工工件件在在这这些些点点的的刚刚度度各各不不相相同同。因因此此，车车出出的的工工件件在在纵纵向向截截面面内内各各个个径径向向尺尺寸不一而形成形状误差。寸不一而形成形状误差。为为了了分分析析问问题题方方便便简简便便，认认为为在在加加工工过过程程中中，切切削削力力不不变变化化，只只考考虑虑系系统统刚刚度度变变化化对对加加工工精度的影响。精度的影响。1切削力作用点

9、位置切削力作用点位置变化化对加工精度的影响对加工精度的影响将机床和工件在受力情况下的变形情况分别考虑。2021/9/23日13山东大学 机械工程学院设设工工件件为为绝绝对对刚刚体体，Fy不不变变，在在切切削削力力的的作作用用下下，使使前前后后顶尖发生位移。顶尖发生位移。这这时时，刀刀具具和和刀刀架架在在工工件件全全长长上上为为常常数数，它它只只是是影影响响工工件件径向尺寸精度，而不影响纵向截面形状。径向尺寸精度，而不影响纵向截面形状。（1 1）在两）在两）在两）在两顶顶尖尖尖尖间车间车削短而粗的光削短而粗的光削短而粗的光削短而粗的光轴轴，由于由于由于由于机床机床的的的的变变形形形形产产生鞍形生

10、鞍形生鞍形生鞍形误误差。差。差。差。随着切削力在两顶尖之间的位置变化，前后顶尖的变形位移量则不同。设刀具位于距离前顶尖为x处时，前顶尖分力后顶尖分力（2-7）（2-8）2021/9/23日14山东大学 机械工程学院推导过程设前后顶尖处的刚度分别为KsQ和KsH，则前后顶尖的位移分别为（2-9）（2-10）这时，前后顶尖连线应该是工件的轴线（假定工件为绝对刚体），刀尖处工件轴线的位移量y为（2-11）（2-12）将式2-9、2-10代入式2-11，则得：2021/9/23日15山东大学 机械工程学院当刀尖走到前或者后顶尖处时，前或后顶尖处就产生最大的位移：当刀尖走到前或者后顶尖处时，前或后顶尖处

11、就产生最大的位移：令（前后顶尖刚度之比）则式2-12可改写成 （2-13）刀尖相对于工件轴线的最大位移量和最小位移量之差，就决定了工件的圆柱度误差。推导过程得到的圆柱度形状误差为：马鞍形。得到的圆柱度形状误差为：马鞍形。2021/9/23日16山东大学 机械工程学院图图图图2-122-122-122-12以前后顶尖刚度比以前后顶尖刚度比作横坐标，以刀尖相对于工件轴线最大作横坐标，以刀尖相对于工件轴线最大和最小位移量之差相对于前顶尖最大位移的比值作和最小位移量之差相对于前顶尖最大位移的比值作纵坐标纵坐标，在不同的在不同的值时，即可得到图值时，即可得到图2-122-12。因为纵坐标所表示的量，能够

12、反映工件上的最大形状误差，所因为纵坐标所表示的量，能够反映工件上的最大形状误差，所以图以图2-122-12表明在前后顶尖刚度不同比值时，对工件上产生的最表明在前后顶尖刚度不同比值时，对工件上产生的最大形状误差的影响。大形状误差的影响。1时，刀尖最大位移量ymax发生在后顶尖处（ymax=yHmax）；=1时，前后顶尖刚度相等时，产生的误差最小。由此可见：从减小形状误差的角度来看，机床各个部分的刚度相差不要悬殊从减小形状误差的角度来看，机床各个部分的刚度相差不要悬殊是很重要的。在很多情况下，某一部件的刚度过高于其他部分意义不大。找是很重要的。在很多情况下，某一部件的刚度过高于其他部分意义不大。找

13、出刚度薄弱的环节加以提高，使其和其他部分大体接近的办法，称为刚度平出刚度薄弱的环节加以提高，使其和其他部分大体接近的办法，称为刚度平衡。这是提高工艺系统刚度的一个有效措施。衡。这是提高工艺系统刚度的一个有效措施。2021/9/23日17山东大学 机械工程学院（2）车削削细长轴，由于工件的，由于工件的变形形产生鼓形生鼓形误差。差。假定前后顶尖刚度为无限大，在切削力Py作用下只是工件本身弯曲变形。刀具纵向走刀，在不同作用点位置处的工件的变形位移为：（2-14）式中：E工件材料的弹性模量；I工件截面的惯性矩。上述情况下，工件上将产生纵截面工件上将产生纵截面凸肚形的形状误差。凸肚形的形状误差。2021

14、/9/23日18山东大学 机械工程学院2021/9/23日19山东大学 机械工程学院合成分析合成分析在实际情况下，前后顶尖和工件都不会是绝对的刚体。因此，前面分两种情况分析的结果常常会同时存在。则由式2-13和式2-14，得工件总的变形位移量yG应当为：（2-15）图2-10c所示为合成后的结果合成后的结果。总的变形量yG随着x的变化，曲线的弯曲程度减小了。实际上，毛坯误差的复映效果也总是存在的。因此，总的变形位移量就是上述纵向位移变形量，与横向误总的变形位移量就是上述纵向位移变形量，与横向误差复映综合影响的结果。差复映综合影响的结果。2021/9/23日20山东大学 机械工程学院工艺系统受力

15、变形随切削力作用点位置变化例子2021/9/23日21山东大学 机械工程学院2021/9/23日22山东大学 机械工程学院2切削力大小切削力大小变化化对加工精度的影响加工精度的影响假定在车床上加工短轴，假定在车床上加工短轴，K Kxtxt为常数，这时由于被加工为常数，这时由于被加工表面的形位误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化，表面的形位误差或材料硬度不均匀而引起切削力变化，使受力变形不一产生加工误差。使受力变形不一产生加工误差。如如图图10-1610-16所所示示，车车削削一一个个有有椭椭圆圆形形的的圆圆度度误误差的短圆柱毛坯。差的短圆柱毛坯。2021/9/23日23山东大学 机械工程学院图

16、10-16 毛坯形状误差复映 工工件件转转一一周周，工工艺艺系系统统变变形形不不同同，加加工工后后工工件件表表面仍有椭圆形的圆度误差。面仍有椭圆形的圆度误差。车削时切削深度在车削时切削深度在p2p2p1p1之间变化。之间变化。因此切削分力因此切削分力F Fy y也随着切削深也随着切削深度度p p的变化由最小的变化由最小(F Fy2y2)变到变到最大最大(F Fy1y1)，工艺系统将产生相应的变形，即由工艺系统将产生相应的变形，即由y y2 2变到变到y y1 1(刀刀尖相对于工件在法线方向的位移变化尖相对于工件在法线方向的位移变化)，2021/9/23日24山东大学 机械工程学院（1 1）毛坯

17、误差复映理论）毛坯误差复映理论有误差有误差(形状或位置误差形状或位置误差)的工件毛坯，再次加工后，其误差的工件毛坯，再次加工后，其误差仍以与毛坯相似的形式、不同程度地再次反映在新加工表面仍以与毛坯相似的形式、不同程度地再次反映在新加工表面上，上，这种现象称为这种现象称为“误差复映误差复映”现象现象。切深大时，切削力以及产生的位切深大时，切削力以及产生的位移也大；切深小时，切削力以及移也大；切深小时，切削力以及产生的位移也小。产生的位移也小。所以，所以，毛坯的椭圆形误差在毛坯的椭圆形误差在车削后仍然保留在工件上。车削后仍然保留在工件上。2021/9/23日25山东大学 机械工程学院工件误差对毛坯

18、误差的复映程度用误差复映系数表示，即为工件误差g与毛坯误差m的比值，即 以车削为例，毛坯误差 车削后工件的圆度误差 误差复映规律与误差复映系数误差复映规律与误差复映系数误差复映规律与误差复映系数误差复映规律与误差复映系数2021/9/23日26山东大学 机械工程学院加工前后的误差关系分析加工前后的误差关系分析根据切削力的经验公式(2-12)，在材料硬度均匀、刀具几何形状、切削条件一定的情况下，对于一般车刀，则 式中 径向切削力系数。由此引起工艺系统的受力变形为 2021/9/23日27山东大学 机械工程学院加工前后误差关系分析（续）加工前后误差关系分析（续）工件误差为 所以(10-14)误差复

19、映系数定量的反映了毛坯误差经过加工的减少的程度，它与工艺系统的刚度成反比，与径向切削力系数C成正比。2021/9/23日28山东大学 机械工程学院（2）降低复映误差的主要工艺措施降低复映误差的主要工艺措施 提高工艺系统刚度：根据式（10-14）提高工艺系统刚度是降低误差复映的一个有效措施。增加走刀次数:设每次走刀的误差复映系数为 、,因为 ，所以，总误差复映系数为:则 2021/9/23日29山东大学 机械工程学院可以根据已知的值，估算出加工后的估计误差或根据工件的公差值与毛坯误差值确定加工次数。因此增加走刀次数，可大大降低工件的复映误差。但走刀次数太多，会降低生产率。提高毛坯精度(减少尺寸变

20、动范围)和材质的均匀性:可降低复映误差。不仅形状、位置误差会发生复映，当毛坯材料硬度不均匀或有硬质点的存在，同样会因切削力变化而产生加工误差。因此，在大批大量生产中，用调整法加工一批工件，应控制毛坯精度，还可以通过热处理改善材质的均匀性(如正火、退火、调质)。2021/9/23日30山东大学 机械工程学院工艺系统在工艺系统在传动力和力和惯性力性力的作用下，也会产生变形，而影的作用下，也会产生变形，而影响加工精度。响加工精度。（二）（二）切削过程中受力方向变化引切削过程中受力方向变化引起的工件形状误差起的工件形状误差 切切削削加加工工中中高高速速旋旋转转的的零零部部件件(含含夹夹具具、工工件件和

21、和刀刀具具等等)不不平衡将产生离心力平衡将产生离心力 。在在每每一一转转中中 不不断断改改变变方方向向，因因此此，它它在在y方方向向的的分分力力大大小小的的变变化化，就就会会使使工工艺艺系系统统的的受受力力变变形形也也随随之之变变化化而而产产生生误误差。如图差。如图10-17所示。所示。2021/9/23日31山东大学 机械工程学院车削一个不平衡工件，当离心力 与 反向时，将工件推向刀具，使切削深度增加；当 与 同向时，工件被拉离刀具，使切削深度减小。其结果会造成工件的圆度误差。图图10-17 10-17 惯性力所引起的加工误差惯性力所引起的加工误差 2021/9/23日32山东大学 机械工程

22、学院（三）其他力（三）其他力引起的引起的工艺系统工艺系统变形形对加工精度的影响加工精度的影响(1)夹紧力引起的受力变夹紧力引起的受力变形形被加工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力点不当，都会引起工件变形，造成加工误差。特别是薄壁套、薄板件，夹紧力常常会引起很显著的加工误差。2021/9/23日33山东大学 机械工程学院有时，如果夹紧力作用点选择不当，即便是尺寸大、刚性较高、结构复杂的箱体、机座等类零件，也会产生夹紧变形。夹紧力作用点选择不当夹紧力作用点选择不当当然，有时夹紧力帮助减小加工误差的影响，抵消加工误差以提高零件的精度。2021/9/23日34山东大学 机械工程学院（2）自重引起的受力

23、变形）自重引起的受力变形2021/9/23日35山东大学 机械工程学院三、三、减少工减少工艺系系统受力受力变形的措施形的措施减少工艺系统受力变形，是机械加工中保证产品质量和提高生产率的主要途径之一。根据生产实际情况，可采取以下几方面措施。2021/9/23日36山东大学 机械工程学院1提高零件提高零件连接表面的接触接表面的接触刚度度常用的方法是：常用的方法是：改善工艺系统主要零件接触面的配合质量，如机床导轨副、改善工艺系统主要零件接触面的配合质量，如机床导轨副、锥体与锥孔、顶尖与中心孔等配合面采用刮研与研磨，以锥体与锥孔、顶尖与中心孔等配合面采用刮研与研磨，以提高配合表面的形状精度，减小表面粗

24、糙度，使实际接触提高配合表面的形状精度，减小表面粗糙度，使实际接触面积增加，从而有效地提高接触刚度。面积增加，从而有效地提高接触刚度。提高接触刚度的另一措施是在接触面间预加载荷，这样可以消除配合面间的间隙，增加接触面积，减少受力后的变形。如机床主轴部件轴承常采用预加载荷的办法进行调整。由于部件的接触刚度低于实体零件本身刚度，所以提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。2021/9/23日37山东大学 机械工程学院2.设置置辅助支承、提高助支承、提高工件工件刚度、减少度、减少变形形。在机械加工中，由于工件本身的刚度较低，特别是叉类件、细长轴等零件，容易变形。此时，如何提高工件的刚度是提高加工精度的

25、关键。其主要措施是缩小切削力的作用点到支承之间的距离，以增大工件切削时的刚度。图10-18所示为车削细长轴时采用跟刀架或中心架增加支承，以提高工件刚度的示例。2021/9/23日38山东大学 机械工程学院图10-18 增加支承以提高工件的刚度 2021/9/23日39山东大学 机械工程学院3.采用合理的装采用合理的装夹和加工方式。和加工方式。2021/9/23日40山东大学 机械工程学院加工薄壁件时，由于工件刚度低，解决夹紧变形的影响是关键问题之一。4.合理装夹工件以减少夹紧变形合理装夹工件以减少夹紧变形2021/9/23日41山东大学 机械工程学院在夹紧前，薄壁套筒的内外圆是正圆形，用三爪自

26、定心卡盘夹紧后则薄壁套筒呈三棱形，如图a所示；镗孔后，薄壁套筒的内孔呈圆形，如图b所示；松开卡爪后，工件由于弹性恢复，使已镗圆的孔产生了三棱圆形的圆度误差，如图c所示。为了减少工件夹紧变形，提高加工精度，可以采取如下措施：增大接触面积，使各点受力均匀，如图d所示为采用开口过渡环，图e所示为采用专用卡爪；还可采用轴向夹紧或采用弹性套筒夹紧。图图10-2010-20所示为加工薄壁套筒零件所示为加工薄壁套筒零件2021/9/23日42山东大学 机械工程学院图10-21所示为磨削薄板工件，当磁力将工件吸向工作台表面时，工件将产生弹性变形（如图a、b所示）；磨完后，由于弹性恢复，已磨完的表面又产生翘曲（

27、如图c所示）。改进的办法是在工件和磁力吸盘之间垫橡皮垫(厚)（如图d、e所示），工件受作力作用，橡皮垫被压缩，减少了工件夹紧的变形；再以磨好的一面作为定位基准磨另一面。这样经过多次正反面交替磨削即可得平面度较高的平面（如图f所示）。2021/9/23日43山东大学 机械工程学院图图10-2110-21所示为磨削薄板工件所示为磨削薄板工件2021/9/23日44山东大学 机械工程学院在切削加工中，有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动，影响加工精度和生产率的提高。此时可以用加强杆或导向支承套提高机床部件的刚度，如图10-19所示：图a所示为在转塔车床上采用固定导向支承套，图b所示为采用转动导向支

28、承套，用加强杆和导向支承套提高机床部件的刚度。5.5.提高机床部件的刚度提高机床部件的刚度提高机床部件的刚度提高机床部件的刚度2021/9/23日45山东大学 机械工程学院图10-19 提高机床部件刚度的装置 1-固定导向支承套2、6-加强杆 3、4-六角刀架5-工件7-转动导向支承套 2021/9/23日46山东大学 机械工程学院四、四、工件内应力对加工精度的影响工件内应力对加工精度的影响 工件内应力是指加在工件上的外部载荷工件内应力是指加在工件上的外部载荷去除后，仍残存在工件内部的应力。去除后，仍残存在工件内部的应力。内应力产生的本质原因在于金属内部不内应力产生的本质原因在于金属内部不均匀

29、的体积变化。均匀的体积变化。在以下三种情况下，会产生内应力：在以下三种情况下，会产生内应力：2021/9/23日47山东大学 机械工程学院（一）（一）毛坯制造和毛坯制造和热处理理过程程产生的残余生的残余应力。力。如图10-22a所示的铸件在A、C部分存在压应力，在B部分存在拉应力。这是因为浇铸后，A、C部分冷却较B部分快所致。如果将C部分开一缺口，应力重新分布，则工件会产生如图10-22b所示的弯曲变形。2021/9/23日48山东大学 机械工程学院2021/9/23日49山东大学 机械工程学院（二）（二）冷校直冷校直带来的残余来的残余应力。力。对细长轴进行冷校直时车削后的细长轴存在上凸的弯曲

30、变形，加一外载对其进行冷校直，如图10-23a所示，此时，在截面上半部为压应力，下半部为拉应力，如图10-23b；撤去外载荷，则内应力重新分布（如图10-23c所示）。2021/9/23日50山东大学 机械工程学院（三）切削加工切削加工带来的残余来的残余应力力工件表面在切削力作用力下，也会出现不同程度的塑性变形和金属组织的变化而引起局部体积改变，因而产生内应力。这种内应力的分布情况由加工时的各种工艺因素所决定。存在内应力的零件的金属组织，即使在常温下，其内应力也会缓慢而不断地变化，直到内应力消失为止。在变化过程中，零件的形状将逐渐改变，使原有的加工精度逐渐消失。2021/9/23日51山东大学

31、 机械工程学院五、工艺系统刚度的试验测定五、工艺系统刚度的试验测定随着科学理论和实验技术的不断发展，采用计算机工程分析软件工具，可以讲任何构件的刚度和动态模型加以分析和模拟。但是作为工艺系统和工艺系统中的各个部件环节，如机床、刀具、工件、夹具等，其组成零件很多，结构复杂，连接方式很难加以准确地描述，因此，很少有可能用计算的方法进行刚度的分析估算。因此，更加可靠的和常用的方法是采用试验的方法测定各个主要环节的刚度。2021/9/23日52山东大学 机械工程学院（一）车床刚度的测定（一）车床刚度的测定机床刚度，是机床性能的一项重要指标。机床刚度，是机床性能的一项重要指标。1.1.单向刚度测定法单向

32、刚度测定法2.2.三向刚度测定法三向刚度测定法3.“3.“生产法生产法”刚度测定法刚度测定法2021/9/23日53山东大学 机械工程学院（）（）连接表面接表面间的接触的接触变形。形。（）薄弱零件本身的（）薄弱零件本身的变形形。（）摩擦力的影响（）摩擦力的影响。（）（）间隙的影响。隙的影响。（三）（三）影响部件影响部件刚度的主要因素度的主要因素2021/9/23日54山东大学 机械工程学院（二）铣床刚度的测定（二）铣床刚度的测定2021/9/23日55山东大学 机械工程学院（三）钻床刚度的测定2021/9/23日56山东大学 机械工程学院2021/9/23日57山东大学 机械工程学院六六、工、

33、工艺系系统的的热变形形在机械加工过程中，工艺系统会受到各种热源的影响而产生热变形，从而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。据统计，在精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40%70%。高效、高精度、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，成为当今机械加工技术发展的一个重要的研究课。2021/9/23日58山东大学 机械工程学院热总是由高温处向低温处传递。热总是由高温处向低温处传递。其传递方式有三种：传导传热、对流传热和辐射传热。其传递方式有三种：传导传热、对流传热和辐射传热。（一）工（一）工艺系系统的的热源源与传递与传递引起工艺系统热变形的

34、热源可分为内部热源和外部热源两大类。内部热源主要指切削热和摩擦热，它们产生于工艺系统内部，属于传导传热；外部热源主要是指环境温度和各种热辐射，属于对流传热，它对大型和精密件的加工影响较大。切削热是工件和刀具变形的主要热源，而摩擦热是机床变形的主要热源。2021/9/23日59山东大学 机械工程学院 机机床床：（电气气；液液压；摩摩擦擦；切切削削；环境境）各各部部分分受受热不不同同，形形成成温温差差变形形（膨膨胀）不不一一致致原原几几何何精精度度工工件件加加工精度。工精度。（二）（二）机床机床热变形对加工精度的影响热变形对加工精度的影响 由于各种机床的结构不同，热量分布不均匀，从而各部件产生的热

35、变形不同，所以各种机床对于工件加工精度的影响方式和影响结果也各不相同。图10-24所示为常见的几种机床的热变形趋势：2021/9/23日60山东大学 机械工程学院2021/9/23日61山东大学 机械工程学院机床的主要机床的主要热源及其加工精度影响源及其加工精度影响 主主要要热源源（电，摩摩擦擦）主主轴箱箱（主主轴倾斜斜）床身（立柱）（床身（立柱）（导轨上凸）。上凸）。1车、铣、钻、镗2021/9/23日62山东大学 机械工程学院液液压系系统-油池油池 高速磨高速磨头-砂砂轮架、工件架、工件头架，架，冷却液（磨削冷却液（磨削热）-床身。床身。2磨床磨床类机床的机床的热变形形2021/9/23日

36、63山东大学 机械工程学院砂砂轮架架倾斜斜工件直径；工件直径；n工件工件头架架倾斜斜锥度度 外外圆磨床磨床2021/9/23日64山东大学 机械工程学院砂砂轮架架立柱；立柱；n液液压油池油池床身内，下高，中凹；床身内，下高，中凹；n导轨 床身外，上高，中凸。床身外，上高，中凸。平面磨床平面磨床2021/9/23日65山东大学 机械工程学院砂砂轮架，架，冷却液冷却液床身中部床身中部中凸中凸端面端面倾斜。斜。双端面磨床双端面磨床2021/9/23日66山东大学 机械工程学院龙门铣、刨、磨床、刨、磨床床身：床身：n环境温度，境温度，n导轨面磨擦，面磨擦，n辐射。射。3.大型机床大型机床热变形形对于龙

37、门刨床、导轨磨床等大型机床，由于床身较长，如导轨面与底面间稍有温差，就会产生较大的弯曲变形，故床身的热变形是影响加工精度的主要因素，摩擦热和环境温度是其主要热源。2021/9/23日67山东大学 机械工程学院n切削切削热对加工精度影响：加工精度影响：n车、铣、刨、刨、镗、拉、拉:10%；n钻：58%；n磨：磨：84%(三三)工件工件热变形及其形及其对加工精度影响加工精度影响工件在加工中产生的热变形，主要是由于切削热引起，它改变了被切削表面相对于刀具的预定位置，从而造成加工误差。工件的热变形主要有均匀受热和不均匀受热两种情况。工件的热变形主要有均匀受热和不均匀受热两种情况。2021/9/23日6

38、8山东大学 机械工程学院对于形状比较简单的轴、套、盘类工件的内外圆加工，切削热比较均匀的传入工件，可以认为整个零件温升相同，其热变形可按物理学计算热膨胀公式求出。直径上的热变形量（扩大量）：(1)(1)工件均匀受热工件均匀受热工件均匀受热工件均匀受热长度上的热变形量（伸长量）：工件受热均匀的情况下，其热变形主要影响工件的尺寸精度，有时也会引起形状误差。例如当工件在两固定顶尖上定位加工时，其伸长量将使工件产生压应力，从而使工件产生腰鼓形的圆柱度误差。2021/9/23日69山东大学 机械工程学院板类工件单面加工(如铣、刨、磨平面)，如薄板零件(摩擦片)及大型平板零件(床身导轨零件)，加工时，单面

39、受切削热的作用，上下表面之间形成温差 ，导致工件出现弯曲变形(中凸变形)，在这种变形状态下加工，待工件冷却后，则加工面产生中凹的平面度、直线度误差。(2)(2)工件不均匀受热工件不均匀受热2021/9/23日70山东大学 机械工程学院磨削长L、厚h的板类零件，其热变形挠度x根据图10-25所示几何关系计算如下：由于中心角 很小，故中性层的弦长可近似视为原长L，则：又由于 所以 2021/9/23日71山东大学 机械工程学院图10-25 工件单面受热时的弯曲变形计算 2021/9/23日72山东大学 机械工程学院（四）刀具热变形对加工精度的影响（四）刀具热变形对加工精度的影响 刀具的热变形主要是

40、由于切削热引起的，传给刀具的热量虽不多，但由于刀具体积小、热容量小且热量又集中在切削部位，因此切削部位仍会产生很高的温升。如 高 速 钢 刀 具 车 削 时 刃 部 的 温 度 可 高 达700800，刀具的热伸长量可达0.030.05 mm。其影响不可忽略。2021/9/23日73山东大学 机械工程学院图10-26所示为车削时车刀的热伸长量与切削时间的关系。连续车削时，车刀的热变形情况如曲线A，经过约1020 min，即可达到热平衡，车刀的热变形影响很小；当停止车削后，刀具冷却变形过程如曲线B；断续车削时，变形曲线如曲线C。因此，在开始切削阶段，其热变形显著；达到热平衡后，对加工精度的影响则

41、不明显。2021/9/23日74山东大学 机械工程学院图10-26 车刀的热变形 2021/9/23日75山东大学 机械工程学院1.1.减少热源的发热减少热源的发热（五五）减少和控制工）减少和控制工艺系系统热变形的主要途径形的主要途径为减少机床的热变形，凡是可能分离出去的热源，如电动机、变速箱、液压系统、冷却系统等，均应移出。对于不能分离的热源，如主轴轴承、丝杠螺母副、高速运动的导轨副等，则可以从结构、润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热；也可用隔热材料将发热部件和机床大件(如床身、立柱等)隔离开来。对于发热量大的热源，如果既不能从机床内移出，又不便隔热，则可采用冷却措施，如增加散热面积或使用强

42、制式的风冷、水冷、循环润滑等，控制机床的局部温升和热变形。2021/9/23日76山东大学 机械工程学院（）分离（减小（）分离（减小热源）：源）：电动机，机，变速箱，液速箱，液压，冷却系，冷却系统移出。移出。（）隔离（）隔离（热）：用隔）：用隔热材料，阻材料，阻挡热源源传热。（）（）润滑：改善磨擦，减少滑：改善磨擦，减少发热。（）散（）散热，冷却：，冷却：带走走热量。量。隔隔热和冷却和冷却2021/9/23日77山东大学 机械工程学院(1)采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热

43、源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立柱结构的机床的热变形比单立柱结构的机床小得多。2.2.2.2.用热补偿方法减少热变形用热补偿方法减少热变形用热补偿方法减少热变形用热补偿方法减少热变形(均衡温度场均衡温度场均衡温度场均衡温度场)单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿的方法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生不影响加工精度的均匀变形。合理的合理的结构构设计：2021/9/23日78山东大学 机械工程学院(1)采用热对称结构 将轴、轴承、传动齿轮尽量对称布置，可使变速箱箱壁

44、温升均匀，减少箱体变形。机床大件的结构和布局对机床的热态特性有很大影响。以加工中心为例，在热源的影响下，单立柱结构的机床会产生相当大的扭曲变形，而双立柱结构的机床由于左右对称，仅产生垂直方向的热位移，很容易通过调整的方法予以补偿。因此双立柱结构的机床的热变形比单立柱结构的机床小得多。3.3.3.3.采用合理的机床部件采用合理的机床部件采用合理的机床部件采用合理的机床部件结结结结构减少构减少构减少构减少热变热变热变热变形的影响形的影响形的影响形的影响 合理的合理的结构构设计：2021/9/23日79山东大学 机械工程学院(2)(2)(2)(2)合理选择机床部件的装配基准合理选择机床部件的装配基准

45、合理选择机床部件的装配基准合理选择机床部件的装配基准图10-27所示为车床主轴箱在床身上的两种不同的定位方式。因主轴部件是车床主轴箱的主要热源，故在图a中，主轴轴心线相对于装配基准H而言，主要在Z方向产生热位移，对加工精度影响较小；而在图b中，y方向的受热变形对加工精度的影响较大。2021/9/23日80山东大学 机械工程学院合理的装配基准合理的装配基准2021/9/23日81山东大学 机械工程学院空空转加加热或人或人为加加热。4.4.加速达到工艺系统热平衡状态加速达到工艺系统热平衡状态 对于精密机床特别是大型机床，达到热平衡的时间较长。为了缩短这个时间，可以在加工前，使机床高速空运转，或在机

46、床的适当部位设置控制热源，人为地给机床加热，使之较快达到热平衡状态，然后进行加工。基于同样原因，精密机床应尽量避免中途停车。2021/9/23日82山东大学 机械工程学院恒温。恒温。5控制控制环境温度境温度精密机床一般安装在恒温车间，恒温室平均温度一般为20，其恒温精度一般控制在1，精密级为0.5。2021/9/23日83山东大学 机械工程学院QUIZQUIZ作业作业1.工件内应力对加工精度的影响工件内应力对加工精度的影响工件内应力对加工精度的影响工件内应力对加工精度的影响讨论了哪几讨论了哪几讨论了哪几讨论了哪几种内应力？种内应力？种内应力？种内应力？2.误差复映规律与误差复映系数揭示了什么误差复映规律与误差复映系数揭示了什么现象？对我们有什么启示和指导意义现象？对我们有什么启示和指导意义?P250:T3T4T6课下作业：2021/9/23日84山东大学 机械工程学院Question and Answer Session2021/9/23日85山东大学 机械工程学院Thanks for your participation!李凯岭李凯岭0531-2021/9/23日86山东大学 机械工程学院The End2021/9/2387