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设计与研究31机床热变形与结构热对称设计陈明亮(桂林电子科技大学信息科技学院，桂林541004)摘要：分析引起机床热变形的热源，探讨机床热变形机理，研究减少机床热变形及其影响的措施。
根据机 床的热特性，从误差防止的角度出发，提出减少或消除机床热变形的结构热对称设计方案。
关键词：机床热变形热对称引言机床的热变形特别是数控机床的热变形，是影响加工精度的主要因素。
研究与加工实践表明，在精密加 工中，机床自身热变形引起的制造误差占总制造误差的40%〜70%。
目前，减小机床热变形误差有误差防止和误差 补偿两种方法。
前者是通过设计和制造过程来减小或消除 误差，如优化设计、隔离热源等；后者是通过人为的制造 一种误差来抵消机床热变形引起的误差，即在数控系统中 根据机床热变形量进行误差补偿。
由于机床机械结构的复 杂性，热变形所引起的加工误差不易检测。
因此，误差补 偿范围和有效性也受到限制。
在高速高精度极端加工环境 下，解决机床热变形已逐步由误差补偿法转向误差防止法。
研究机床热特性，从结构优化和参数优化出发，寻求更加 合理的温度分布和刚度分布，控制机床结构热位移，己经 成为机床领域的重要研究课题。
1机床热变形机理1.1引起机床热变形的热源引起机床热变形的热源主要是切削热、损耗热形成的 内部热源以及环境、热辐射形成的外部热源，如图1所示。
切削热是切削加工过程中最主要的热源。
在切削（磨削）过程中，消耗于切削的弹、塑性变形能量及刀具、工件和 切屑之间摩擦的机械能，绝大部分都转变成了切削热。
机 床的损耗热主要是机床和液压系统中运动部件产生的，这 些部件的工作过程本质上是一个能量转换过程。
由于工作 效率难于到达100%，所以在这些能量转换过程中一定会发 生能量损耗，而损耗的能量将会进一步转变成热能。
损耗 热是局部发热，比切削热的热量较少。
外部热源的热辐射 及周围环境温度（如昼夜温度不同）对机床热变形的影响 也不容忽视，对大型、精密加工尤为重要。
论影响机械加工精度的因素及提高措施【摘要】随着国民经济实力和科学技术水平的提高，社会发展要求提高产品的质量。
而加工精度是衡量零件加工质量的重要指标，所以保证零件的加工精度很重要。
本文介绍了机械加工精度的概念及内容，分析了影响机械加工精度的因素并提出了提高机械加工精度的工艺措施。
【关键词】机械加工；精度；误差；因素；措施随着国民经济实力和科学技术水平的提高，社会发展要求提高产品的质量。
而加工精度是衡量零件加工质量的重要指标，所以保证零件的加工精度很重要。
这就要求我们来了解影响机械加工精度的因素，采取措施来提高加工精度。
1 机械加工精度的含义及内容加工精度是指零件经过加工后的实际几何参数与与理想几何参数符合的程度，而它们之间的偏离程度则称为加工误差。
一个零件的加工误差越小，加工精度就越高。
零件的几何参数包括尺寸、几何形状和相互位置三个方面，故加工精度包括：（1）尺寸精度：用来限制加工表面与其基准间尺寸误差不超过一定的范围。
（2）几何形状精度：用来限制加工表面宏观几何形状误差，如圆度、圆柱度、平面度、直线度等。
（3）相互位置精度：用来限制加工表面与其基准间的相互位置误差，如平行度、垂直度、同轴度、位置度等。
2 影响机械加工精度的因素2.1 工艺系统的几何误差2.1.1 加工原理误差（1）采用近似的刀具轮廓造成的误差用成形刀具加工复杂的曲面时，要使刀具刃口做得完全符合理论曲线的轮廓，有时非常困难，往往采用圆弧、直线等简单近似的线型代替理论曲线。
如用滚刀滚切渐开线齿轮时，为了滚刀的制造方便，多用阿基米德蜗杆或法向直廓蜗杆来代替渐开线基本蜗杆，从而产生了加工原理误差。
（2）采用近似传动比的成形运动造成的误差如在车削模数蜗杆时，由于蜗杆的螺距是π的倍数，而π是一个无理数，只能用近似传动比的挂轮来实现π，因而产生由近似传动比的成形运动所引起的加工原理误差。
2.1.2 机床几何误差及磨损其对加工精度的影响加工中刀具相对于工件的成形运动一般都是通过机床完成的，因此工件的加工精度在很大程度上取决于机床的精度。
机械加工精度误差分析及改进措施探讨摘要：本文主要概述了机械加工精度的概念，获得加工精度的方法，概要论述了机械加工精度误差的主要类型，并就如何减少误差、提高机械加工精度提出了相关措施。
关键词：机械加工；精度；补偿；分化误差；工艺中图分类号：f407.4 文献标识码：a 文章编号：不同的零件经过加工组合，构成了机械产品，加强机械零件从设计到加工的控制，减少成品产出时的误差分析，提高机械零件生产时的精度，可以有效提高机械产品的质量，保障机械产品性能的增强，能真正的提高机械生产企业的的综合竞争力，意义深刻。
一、机械加工精度的概念及其包含内容机械加工精度是指机械零件在生产和加工过程中，其实际的几何参数(尺寸、几何形状和相互位置)与理想几何参数的相符合的程度，而它们之间的偏离程度又称为加工误差。
加工精度在数值上通过加工误差的大小来表示，即精度越高，误差越小；精度越低，误差越大。
加工精度包括尺寸精度，形状精度，位置精度等三个方面。
尺寸精度是指机械加工后的零件的直径、长度等尺寸的实际值与理想值的接近程度。
形状精度是指机械加工后的零件的实际几何尺寸与理想尺寸的接近程度。
位置精度是指机械加工后的零件的实际几何位置与理想位置的接近程度。
通常在设计零件及规定零件加工精度时，应注意将形状误差控制在位置公差内，位置误差又应小于尺寸公差。
即精密零件或零件的重要表面，其形状精度要求高于位置精度要求，位置精度要求高于尺寸精度要求。
二、获得加工精度的方法（一）试切法是指操作工人在每一工步或走刀前进行对刀，然后切出一小段，测量其尺寸是否合适。
其加工质量取决于工人的技术水平，常用于单件、小批量生产。
（二）调整法分为静调整法和动调整法。
静调整法(样切法)是在不切削的情况下对刀块或样件来调整刀具的位置。
动调整法(尺寸调整法)是按试切零件进行调整的方法，调整完毕即可加工。
（三）尺寸刀具法大多利用定尺寸的孔加工刀具，如钻头、拉刀等来加工孔。
方法四：主动测量法。
机械制造工艺学习题及参考答案3[全文5篇]第一篇：机械制造工艺学习题及参考答案3机械制造工艺学习题及参考答案3单项选择题1.（）的基本尺寸等于各组成环基本尺寸的代数和。
A、组成环B、封闭环C、增环D、减环2.装配尺寸链的计算方法有（）。
A、分层计算和累积计算B、排列组合计算和归纳总结计算C、正计算与反计算D、分解计算和组合计算3.（）在零件加工或机器装配过程中最终形成的环或间接得到的环。
A、增环B、减环C、组成环D、封闭环4.组合夹具可以分为（）两大类。
A、大型和小型B、孔系和槽系C、旋转式和直线式D、集中型和分散型5.（）原则是指尽可能选择被加工表面的设计基准为精基准。
A、自为基准B、互为基准C、统一基准D、基准重合6.机械加工表面缺陷主要有表层加工冷作硬化、表层金相组织变化和（。
）A、位置误差B、形状误差C、圆柱度不达标D、表层残余应力7.（）是把零件装配成部件的过程。
A、套装B、组装C、部装D、总装8.长V型块作为定位元件时，可以限定（）个自由度。
A、6B、5C、4D、39.在机械加工过程中，（）是工件实际定位中绝不允许的。
A、完全定位B、不完全定位C、过定位D、欠定位10.（）是安排作业计划、进行成本核算、确定设备数量、人员编制以及规划生成面积的重要依据。
A、人员定额B、产量定额C、时间定额D、效率定额11.（）在特定领域内具有与该领域人类专家相当智能水平的计算机知识程序处理系统。
A、自动化系统B、专家系统C、控制系统D、数控系统2.工艺规程规划时，产品基本不变的大批、大量生产，选用（）。
A、数控机床B、普通机床C、专用组合机床D、自动机床13.在绝大多数产品中，装配时各组成环不需要挑选或改变其大小或位置，装配后即能达到装配精度的要求，但有少数产品有出现废品的可能性的装配方法是（）。
A、完全互换法B、基本互换法C、强制互换法D、大数互换法多项选择题1.装配工艺规程的主要内容有（）等。
A、分析产品图样，划分装配单元B、拟定装配顺序，划分装配工序C、计算装配时间定额D、确定各工序装配技术要求E、确定装配时零、部件的输送方法及所需要的设备和工具2.机械加工工艺规程规划所需原始资料有（）等。
机械加工工艺题库及答案1. 在车床上加工轴，采用双顶针定位，限制了（）个自由度。
A. 3B. 4C. 5D. 6答案：C解析：双顶针定位限制了5 个自由度，只剩下绕轴线旋转的自由度。
2. 机械加工工艺过程是由一系列的（）组成。
A. 工序B. 安装C. 工位D. 工步答案：A解析：机械加工工艺过程由一系列工序组成。
3. 精基准的主要作用是（）。
A. 保证技术要求B. 便于实现粗基准C. 尽快加工出产品D. 便于测量答案：A解析：精基准主要是为了保证零件的技术要求。
4. 粗基准一般（）使用。
A. 能重复B. 不能重复C. 最多重复两次D. 以上都不对答案：B解析：粗基准一般不能重复使用。
5. 加工余量确定时，粗加工余量（）。
A. 较大B. 较小C. 任意D. 无规律答案：A解析：粗加工余量通常较大。
6. 工艺尺寸链中，封闭环的公差（）各组成环公差之和。
A. 大于B. 小于C. 等于D. 以上都可能答案：C解析：封闭环的公差等于各组成环公差之和。
7. 刀具耐用度的单位是（）。
A. 分钟B. 秒C. 米D. 件答案：A解析：刀具耐用度通常以分钟为单位。
8. 切削用量三要素中，对切削力影响最大的是（）。
A. 切削速度B. 进给量C. 背吃刀量D. 一样大答案：C解析：背吃刀量对切削力影响最大。
9. 车削细长轴时，为了减小工件的变形，应使用（）。
A. 大前角B. 小前角C. 零前角D. 负前角答案：A解析：大前角可减小切削力，从而减小工件变形。
10. 在钻床上钻孔，钻头的旋转运动是（）。
A. 主运动B. 进给运动C. 辅助运动D. 以上都不是答案：A解析：钻孔时钻头的旋转运动是主运动。
11. 磨削加工时，（）的精度最高。
A. 外圆磨削B. 内圆磨削C. 平面磨削D. 无心磨削答案：C解析：平面磨削的精度相对较高。
12. 扩孔加工属于（）。
A. 粗加工B. 半精加工C. 精加工D. 超精加工答案：B解析：扩孔是半精加工工序。
热变形对加工精度的影响
一、概述
在机械加工过程中，工艺系统在各种热源的影响下，常产生复杂的变形，破坏了工艺系统间的相对位置精度，造成了加工误差。
据统计，在某些精密加工中，由于热变形引起的加工误差约占总加工误差的40％～70％。
热变形不仅降低了系统的加工精度，而且还影响了加工效率的提高。
（一）工艺系统的热源
引起工艺系统热变形的热源大致可分为两类：内部热源和外部热源。
内部热源包括切削热和摩擦热；外部热源包括环境温度和辐射热。
切削热和摩擦热是工艺系统的主要热源。
（二）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。
与此同时，它们也通过各种传热方式向周围散发热量。
当单位时间内传入和散发的热量相等时，则认为工艺系统达到了热平衡。
图4— 23所示为一般机床工作时的温度和时间曲线，由图可知，机床开动后温度缓慢升高，经过一段时间温度升至T衡便趋于稳定。
由开始升温至T衡的这一段时间，称为预热阶段。
当机床温度达到稳定值后，则被认为处于热平衡阶段，此时温度场处于稳定，其热变形也就趋了稳定。
处于稳定温度场时引起的加工误差是有规律的，因此，精密及大型工件应在工艺系统达到热平衡后进行加工。
二、机床热变形引起的加工误差
机床受热源的影响，各部分温度将发生变化，由于热源分布的不均匀和机床结构的复杂性，机床各部件将发生不同程度的热变形，破坏了机床原有的几何精度，从而引起了加工误差。
车床类机床的主要热源是主轴箱中的轴承、齿轮、离合器等传动副的摩擦使主轴箱和床身的温度上升，从而造成了机床主轴抬高和倾斜。
图4— 24所示为一台车床在空转时，主轴温升与位移的测量结果。
主轴在水平方向的位移只
有lOμ m，而垂直方向的位移却达到180～200μ m。
这对于刀具水平安装的卧式车床的加工精度影响较小，但对于刀具垂直安装的自动车床和转塔车床来说，对加工精度的影响就不容忽视了。
对大型机床如导轨磨床、外圆磨床、龙门铣床等长床身部件，其温差的影响也是很显著的。
一般由于温度分层变化，床身上表面比床身的底面温度高而形成温差，因此床身将产生弯曲变形，表面呈中凸状如图4-25所示。
假设床身长L= 3120mm，高H= 620mm，温差Δ t= 1 ℃，铸铁线膨胀系数a=11× 10 -6，床身的变形量为
Δ =aΔ tL 2/8H=11× 10 -6× 1×（3120）2 /8× 620= 0.022 mm
这样,床身导轨的直线性明显受到影响。
另外立柱和溜板也因床身的热变形而产生相应的位置变化（见图4-25）。
图4-26所示为几种机床热变形的趋势。
三、工件热变形引起的加工误差
轴类零件在车削或磨削时，一般是均匀受热，温度逐渐升高，其直径也逐渐胀大，胀大部分将被刀具切去，待工件冷却后则形成圆柱度和直径尺寸的误差。
细长轴在顶尖间车削时，热变形将使工件伸长，导致工件的弯曲变形，加工后将产生圆柱度误差。
精密丝杠磨削时，工件的受热伸长会引起螺距的积累误差。
例如磨削长度为3000mm的丝杠，每一次走刀温度将升高3℃，工件热伸长量为Δ＝3000× 12× lO -6 × 3＝O .1mm(12× lO -6为钢材的热膨胀系数)。
而6级丝杠螺距积累误差，按规定在全长上不许超过0.02mm，可见受热变形对加工精度影响的严重性。
床身导轨面的磨削，由于单面受热，与底面产生温差而引起热变形，使磨出的导轨产生直线度误差。
薄圆环磨削，如图4-27所示，虽近似均匀受热，但磨削时磨削热量大，工件质量小，温升高，在夹压处散热条件较好，该处温度较其他部分低，
加工完毕工件冷却后，会出现棱圆形的圆度误差。
当粗精加工时间间隔较短时，粗加工时的热变形将影响到精加工，工件冷却后将产生加工误差。
例如在一台三工位的组合机床上，通过钻-扩-铰孔三工位顺序加工套件。
工件的尺寸为：外径Φ 440mm，长40mm，铰孔后内径Φ 20H7，材料为钢材。
钻孔时切削用量为：n＝3l 0r／min，f＝0.36mm /r。
钻孔后温升竟达107℃，接着扩孔和铰孔。
当工件冷却后孔的收缩量已超过精度规定值。
因此，在这种情况下，一定要采取冷却措施，否则将出现废品。
应当指出，在加工铜、铝等线膨胀系数较大的有色金属时，其热变形尤其明显，必须引起足够的重视。
四、刀具热变形引起的加工误差
切削热虽然大部分被切屑带走或传入工件，传到刀具上的热量不多，但因刀具切削部分质量小 (体积小 )，热容量小，所以刀具切削部的温升大。
例如用高速钢刀具车削时，刃部的温度高达 700～800℃，刀具热伸长量可达 O.03～ O .05mm。
因此对加工精度的影响不容忽略。
图 4-28所示为车削时车刀的热变形与切削时间的关系曲线。
当车刀连续车削时，车刀变形情况如曲线 l，经过约 l0～ 20min即 f达到热平衡，此时车刀变形的影很小；当车刀停止切削后，车刀冷却变形过程如曲线 3；当车削一批短小轴类零件时，加工由于需要装卸工件而时断时续，车刀进行间断切削，热变形在 A范围内变动，其变形过程如曲线 2。
五、减少工艺系统热变形的主要途径
( 一 )减少发热和隔热
切削中内部热源是机床产生热变形的主要根源。
为了减少机床的发热，在新的机床产品中凡是能从主机上分离出去的热源，一般都有分离出去的趋势。
如电动机、齿轮箱、液压装置和油箱等已有不少分离出去的实例。
对于不能分离出去的热源，如主轴轴承、丝杠副、高速运动的导轨副、摩擦离合器等，可从结构和润滑等方面改善其摩擦特性，减少发热，例如采用静压轴承、静压导轨、低粘度润滑油、锂基润滑脂等。
也可以用隔热材料将发热部件和机床大件分隔开来，如图 4-29所示为在磨床砂轮架 3和滑座 6之间加入隔热垫 5，使砂轮架上的热传不到滑座中；在快进油缸 7的活塞杆与进给丝杠副 9之间使用隔热联轴器 8，以防进给油缸中油温的变化影响丝杠。
( 二 )、加强散热能力
为了消除机床内部热源的影响，可以采用强制冷却的办法，吸收热源发出的热量，从而控制机床的温升和热变形，这是近年来使用较多的一种方法。
图 4-30所示为一台坐标镗床采用强制冷却的试验结果。
曲线 l 为没有采用强制冷却时的情况，机床运行 6h后，主轴中心线到工作台的距离产生了 190μm(垂直方向 )的热变形，且尚未达到热平衡。
曲线 2为采用了强制冷却后，上述热变形减少到 15μm，且在不到 2h内机床就达到了热平衡，可见强制冷却的效果是非常显著的。
目前，大型数控床机、加工中心机床都普遍使用冷冻机对润滑油和切削液进行强制冷却，以提高冷却的效果。
( 三 )用热补偿法减少热变形的影响
单纯的减少温升有时不能收到满意的效果，可采用热补偿法使机床的温度场比较均匀，从而使机床产生均勾的热变形以减少对加工精度的影响。
图 4-31所示为平面磨床采用热空气加热温升较低的立柱后壁，以减少立柱前后壁的温度差而减少立柱的弯曲变形。
图中热空气从电动机风扇排出，通过特设的管道引向防护罩和立柱和后壁空间。
采用这种措施后，工件端面平行度误差可降低为来的 1/3～ 1/4。
( 四)控制温度的变化
环境温度的变化和室内各部分的温差，将使工艺系统产生热变形，从而影响工件的加工精度和测量精度。
因此，在加工或测量精密零件时，应控制室温的变化。
精密机床(如精密磨床、坐标镗床、齿轮磨床等)一般安装在恒温车间，以保持其温度的恒定。
恒温精度一般控制在± l℃，精密级为± 0.5℃，超精密级为± 0.0l℃。
采用机床预热也是一种控制温度变化的方法。
由热变形规律可知，热变形影响较大的是在工艺系统升温阶段，当达到热平衡后，热变形趋于稳定，加工精度就容易控制。
因此，对精密机床特别是大型精密机床，可在加工前预先开动，高速空转，或人为地在机床的适当部位附设加热源预热，使它达到热平衡后再进行加工。
基于同样原因，精密加工机床应尽量避免较长时间的中途停车。
