工艺系统热变形对加工精度的影响及措施探讨

杨小博 雷凯

摘 要：随着机械加工制造水平的不断提高，对机械加工的精度也提出了更高的要求。然而机械加工工艺系统运行中，因受热影响可能出现变形问题，直接导致刀具与工件运动、几何关系被破坏，由此产生加工误差，不利于加工精度的提高。这就要求结合工艺系统热变形实际情况，采取相应的控制策略。本文将对加工精度受工艺系统热变形影响以及控制热变形影响的具体措施进行探讨。

关键词：加工精度；工艺系统；热变形；控制

作为衡量机械设备质量的重要指标，零件加工精度的影响因素很多，如受力变形问题，系统几何精度，热变形等。其中以热变形带来的影响最为突出。因此，对加工精度受工艺系统热变形的影响与控制进行研究，具有十分重要的意义。

一、加工精度受工艺系统热变形影响分析

1.刀具热变形影响。工艺系统运行中，由于涉及切削工序，其带来的切削热很容易产生热变形。尽管切削中刀具接收的热量较小，但热量常表现为向切削部分聚集的情况，这样就导致热容量较小的刀体表现出明显的升温情况。一般在连续切削的最初，刀具热变形较为明显，而在连续切削一段时间后会保持热平衡，热变形并不明显。但是，若切削方式以间断切削为主，则可能产生热胀冷缩的情况。这种刀具热变形问题，对于刀具的整体性能会带来影响，难以保证切削质量。

2.工件热变形影响。工件加工中，热变形问题主要表现在均匀与不均匀受热两种情况。以均匀受热情况为例，如盘类、套类、轴类零件，若从工件圆周、全长情况看，温度分布保持均匀，此时可将受热情况理解为均匀受热。需注意的是，对于销轴类、盘类零件，本身在切削中走刀过程较短，无需考虑切削时间问题，可直接忽略工件加工误差。但这种情况仅限于工件较短的情形下。若工件较长，在切削温度增加时，工件直径会呈现膨胀趋势，而在冷却后又会以收缩状态为主，圆柱度误差由此产生。尤其对于受热的情况下，顶尖无法满足轴向位移要求，弯曲变形便会在顶尖压力下产生，影响加工精度。另外，从不均匀受热情况看，以磨、刨、铣加工为例，其出现的温度误差集中表现在单面切削热方面。如上下表面存在温差，此时变形中的拱起部分很容易在加工中被切除，而因冷却产生表面下凹情况，又可能使平面度误差产生。特别是加工对象为大型板类零件时，因热量集中于单面，加工精度更难以保证。

3.机床热变形影响。在内外热源的作用下，机床运行中温度会上升。这种温度分布并不以均匀状态为主，可能在不同部件上存在差异，也可能在同一部件中的不同部位上存在差异。对于这种温度分布情况，可称其为不均匀温度场，很容易使部件位置发生变化。此时机床几何精度将被破坏，加工误差由此产生。事实上，机床类型不同，热变形产生的原因也有差异，如钻、铣、车等机床，在润滑油、轴承摩擦以及齿轮发热情况下将会产生热变形问题。

二、加工精度受工艺系统热变形影响控制策略

1.热源分离与发热量控制。针对工艺系统运行中的热变形问题，实际控制中主要从热源分离、发热量减少等方面着手。若加工工序包含粗加工和精加工，粗加工中因热变形问题，会使精加工受到影响。这就要求在粗加工结束后，使工艺系统冷却，在此基础上松开工件，并在精加工中夹紧，以此将热变形的影响控制到最低限度。同时，在加工中应将热源从机床分离，尽可能使这些热源以独立形式存在，如冷却系统、液压系统、电机系统等。而其他无法进行分离的热源，可通过降低发热或摩擦的方式改善。

2.环境温度控制。加工中由于有不均匀温度场存在，此时要考虑环境温度控制措施。实践中可直接将热补偿机构装设在床身下部，补偿装置在处理油液后送到油池中，达到均衡温度的目标。为实现热平衡，也可将控制热源设置于大型精密机床的相关部位中。此外，在环境温度的控制中，应保证加工机床的安装环境处于恒温状态，这样有利于对热变形的控制。

3.床身结构的合理选用。机床热变形是影响加工精度的主要因素，可从床身结构方面着手解决。以大型机床为例，如果机床结构不对称，单立柱便可能发生扭曲变形，而在双立柱结构对称情况下，则会带来垂直方向位移的问题，这就要求选用相应的调整方式达到补偿目的。此时床身热变形将会减小，加工精度受到的影响也会降低。

总之，加工精度控制是现行机械加工中需要考虑的主要问题。应正确认识工艺系统热变形带来的影响，包括刀具热变形、工件热变形与机床热变形等，采取相应的控制措施，以此将热变形的影响控制到最低。

参考文献：

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