1、第十六章第十六章机械加工精度和表面质量机械加工精度和表面质量第二节影响加工精度的因素1五、工艺系统热变形引起的加工误差（一）概 述工艺系统在各种热源作用下，会产生相应的热变形，从而破坏工件与刀具间正确的相对位置，造成加工误差。21. 工艺系统的热源? 电机、轴承、齿轮、油泵等?工件、刀具、切屑、切削液?气温、室温变化、热、冷风等热源切削热摩擦热外部热源内部热源环境温度热辐射?日光、照明、暖气、体温等2. 工艺系统的热平衡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。同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。热 平 衡?当单位时间内传入和散发的热量相等时，工艺系统达到了热平衡状态
2、。?而工艺系统的热变形也就达到某种程度的稳定。3机床在开始工作的一段时间内，其温度场处于不稳定状态，其精度也是很不稳定的，工作一定时间后，温度才逐渐趋于稳定，其精度也比较稳定。因此，精密加工应在热平衡状态下进行。必须注意:（二）机床热变形对加工精度的影响（二）机床热变形对加工精度的影响机床热变形会使机床的静态几何精度发生变化而影响加工精度，其中主轴部件、床身、导轨、立柱、工作台等部件的热变形，对加工精度影响最大。各类机床其结构、工作条件及热源形式均不相同，因此机床各部件的温升和热变形情况是不一样的。1. 车、铣、钻、镗类机床主轴箱中的齿轮、轴承摩擦发热、润滑油发热。4图 车床的热变形2.龙门刨
3、床、牛头刨床、立式车床类机床导轨副的摩擦热3.各 种 磨 床砂轮主轴轴承的发热和液压系统的发热5牛头刨床滑枕热变形外园磨床的热变形示意图1床身2导轨3工件4砂轮5砂轮架6螺母（三）工件热变形对加工精度的影响1. 工件均匀受热对于一些形状简单、对称的零件，如轴、套筒等，加工时（如车削、磨削）切削热能较均匀地传入工件。6? 在精密丝杆加工中，工件的热伸长会产生螺距的累积误差。? 在较长的轴类零件加工中，将出现锥度误差。如工件在两顶尖间车削，工件受热伸长而顶尖不能轴向位移时，工件会产生弯曲变形，严重影响加工精度。此时宜采用弹性尾顶尖。2. 工件不均匀受热工件不均匀受热在刨削、铣削、磨削加工平面时，工
4、件单面受热，上下平面间产生温差，导致工件向上凸起，凸起部分被工具切去，加工完毕冷却后，加工表面就产生了中凹，造成了几何形状误差。7薄板磨削时的弯曲变形（四）刀具热变形对加工精度的影响刀具热变形主要是由 切削热引起的。切削加工时虽然大部分切削热被切屑带走，传入刀具的热量并不多，但由于刀具体积小，热容量小，导致刀具切削部分的温升急剧升高，刀具热变形对加工精度的影响比较显著。8车刀热变形曲线1 刀具加热至热平衡时间刀具加热至热平衡时间2 刀具冷却至热平衡时间0 刀具间断切削至热平衡时间9图示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。曲线曲线A 车刀连续工作车刀连续工作时的热伸长曲线；曲线B 切削停止
5、后，车刀温度下降曲线；车刀温度下降曲线；曲线C 传动作间断切削的热变形切削。车外圆时，车刀热变形会使工件产生圆柱度误差（喇叭口）。10（五）减少工艺系统热变形的主要途径1减少发热和隔离热源分离热源、采用隔热措施，改善摩擦条件，减少热量产生，如图所示。有时可采用强制冷却法，吸收热源热量，控制机床温升和热变形。合理安排工艺、粗精分开。采用隔热罩减少热变形112均衡温度场均衡温度场1）减小温差；2）均衡关键件的温升，避免弯曲变形（如图所示)用热空气均衡立柱前后壁的温度场123改进机床布局和结构设计1) 采用热对称结构2) 合理选择机床零部件的安装基准车床上主轴箱两种结构的热位移图中表示了车床主轴箱在
6、床身上的两种不同定位方式。由于主轴部件是车床主轴箱的主要热源，故在图b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a中，方向Y的受热变形直接影响刀具与工件的法向相对位置，故造成的加工误差较大。134保持工艺系统的热平衡5控制环境温度6. 热位移补偿热位移补偿加工前使机床高速空转，达到热平衡时再切削加工。恒温车间、使用门帘、取暖装置均匀布置；恒温精度一般控制在1以内，精密级较高的机床为0.5。恒温室平均温度一般为20，在夏季取23，在冬季可取17。寻求各部件热变形的规律建立热变形位移数字模型并存入计算机中进行实时补偿。六、 工件残余应力引起的加工误差（一
7、）内应力的产生及其对加工精度的影响什么是残 余 应 力?残余应力是指在没有外部载荷的情况下，存在于工件内部的应力，又称内应力。产生原产生原 因残余应力是由金属内部的相邻宏观或微观组织发生了不均匀的体积变化而产生的，促使这种变化的因素主要来自热加工或冷加工热加工或冷加工。14残余应力对零件的影响影响残余应力对零件的影响影响?存在残余应力的零件，始终处于一种不稳定状态，其内部组织有要恢复到一种新的稳定的没有内应力状态的倾向。?在内应力变化的过程中，零件产生相应的变形，原有的加工精度受到破坏。?用这些零件装配成机器，在机器使用中也会逐渐产生变形，从而影响整台机器的质量。15?在铸造、锻造、焊接及热处
8、理过程中，由于工件各部分冷却收缩不均匀以及金相组织转变时的体积变化，在毛坯内部就会产生残余应力。1、毛坯制造中产生的残余应力、毛坯制造中产生的残余应力?毛坯的结构越复杂，各部分壁厚越不均匀以及散热条件相差越大，毛坯内部产生的残余应力就越大。?具有残余应力的毛坯，其内部应力暂时处于相对平衡状态，虽在短期内看不出有什么变化，但当加工时切去某些表面部分后，这种平衡就被打破，内应力重新分布，并建立一种新的平衡状态，工件明显地出现变形。162、冷校直引起的残余应力现 象原 因17冷校直工艺方法是在一些长棒料或细长零件弯曲的反方向施加外力F以达到校直目的，如图a所示。在外力F的作用下，工件内部的应力重新分
9、布，如图b所示，在轴心线以上的部分产生压应力（用负号表示），在轴心线以下的部分产生拉应力（用正号表示）。在轴心线和两条虚线之间，是弹性变形区域，在虚线以外是塑性变形区域。冷校直引起的内应力影影 响响措措 施施18当外力F去除后，弹性变形本可完全恢复，但因塑性变形部分的阻止而恢复不了，使残余应力重新分布而达到平衡，如图c所示。对精度要求较高的细长轴（如精密丝杠），不允许采用冷校直来减小弯曲变形冷校直来减小弯曲变形，而采用加大毛坯余量，经过多次切削和时效处理来消除内应力，或采用热校直。冷校直引起的内应力2、切削加工中引起的残余应力工件在切削加工时，其表面层在切削力和切削热的作用下，会产生不同程度的
10、塑性变形，引起体积改变，从而产生残余应力。这种残余应力的分布情况由加工时的工艺因素决定。?内部有残余应力的工件在切去表面的一层金属后，残余应力要重新分布，从而引起工件的变形。?在拟定工艺规程时，要将加工划分为粗、精等不同阶段进行，以使粗加工后内应力重新分布所产生的变形在精加工阶段去除。?对质量和体积均很大的笨重零件，即使在同一台重型机床进行粗精加工也应该在粗加工后将被夹紧的工作松开，使之有充足时间重新分布内应力，在使其充分变形后，然后重新夹紧进行精加工。19减少内应力引起变形的措施减少内应力引起变形的措施201合理设计零件结构应尽量简化结构，减小零件各部分尺寸差异，以减少铸锻件毛坯在制造中产生
11、的残余应力。2增加消除残余应力的专门工序对铸、锻、焊接件进行退火或回火；工件淬火后进行回火；对精度要求高的零件在粗加工或半精加工后进行时效处理（自然、人工、振动时效处理）3合理安排工艺过程在安排零件加工工 艺过程中，尽可能将粗、精加工分在不同工序中进行。七、七、 提高加工精度的工艺措施提高加工精度的工艺措施查明产生加工误差的主要因素后，设法对其直接进行消除或减弱，如细长轴加工用跟刀架会导致工件弯曲变形用跟刀架会导致工件弯曲变形，现采用反拉法切削工件受拉不受压不会因偏心压缩而产生弯曲变形。（一）减少误差法21反拉法切削细长轴a) 正向进给b) 反向进给22（二）误差补偿法（二）误差补偿法误差补偿
12、法是人为地造出一种新的原始误差，去抵消原来工艺系统中存在的原始误差，尽量使两者大小相等、方向相反而达到使误差抵消得尽可能彻底的目的。通过导轨凸起补偿横梁变形螺纹加工校正机构1工件2丝杠螺母3车床丝杠4杠杆5校正尺6滚柱7工作尺面2324（三）误差分组法（三）误差分组法误差分组法是把毛坯或上工序加工的工件尺寸经测量按大小分为n组，每组尺寸误差就缩减为原来的1/n。然后按各组的误差范围分别调整刀具位置，使整批工件的尺寸分散范围大大缩小。（四）误差转移法（四）误差转移法误差转移法就是把原始误差从误差敏感方向转移到误差的非敏感方向。（五）就地加工法（五）就地加工法全部零件按经济精度制造经济精度制造，然后装配成部件或产品，且各零部件之间具有工作时要求的相对位置，最后以一个表面为基准加工另一个有位置精度要求的表面，实现最终精加工，这就是“就地加工”法，也称自身加工修配法。例如：平面磨床的工作台面也是在装配后作“自磨自”的最终加工。（六）误差均分法（六）误差均分法误差均分法就是利用有密切联系的表面之间的相互比较和相互修正或者利用互为基准进行加工，以达到很高的加工精度。
