工艺系统热变形对加工精度的影响教学文案
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摩擦热比切削热少，但摩擦热在工艺系统中是局 部发热，引起局部温升和变形，破坏了系统原有 的几何精度，对加工精度也会带来严重影响。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
外部热源
如：
–需要昼夜连续加工时，昼夜温度不同，引起 工艺系统的热变形就不一样，从而影响了加 工精度
–照明灯光、加热器等对机床的热辐射，往往 是局部的，日光对机床的照射不仅是局部的， 而且不同时间的辐射热量和照射位置也不同， 因而会引起机床各部分不同的温升和变形， 这在大型、精密加工时尤其不能忽视。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热辐射
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
引起工艺系统变形的热源可分为:
– 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，其热量主要是以热传导的 形式传递的。
– 外部热源主要是指工艺系统外部的、以对流 传热为主要形式的环境温度（它与气温变化、 通风、空气对流和周围环境等有关）和各种 辐射热（包括由阳光、照明、暖气设备等发 出的辐射热）。
工艺系统热变形对加工精度的影响
各类切削加工方法热传导情况
• 车削，切屑所带走的热量最多，可达50％～80％（切 削速度越高，切屑带走热量占总切削热百分比就越 大），传给工件热量次之（约30％），传给刀具的热 量很少，一般不超过5％
• 铣、刨削加工，传给工件热量在总切削热的30％以下
• 钻削和卧式镗孔，大量的切屑滞留在孔中，传给工件 的热量就比车削时要高
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
• 概念 • 工艺系统的热源 • 工艺系统的热平衡和温度场
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
1、概念：
在机械加工过程中，工艺系统会受到各种 热的影响而产生变形，一般称为热变形。
➢这种变形将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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
在生产中，必须注意:
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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
二、工件热变形对加工的影响
（一）概述 （二）工件比较均匀受热 （三）工件不均匀受热
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
内部热源:切削热
• 切削热是切削加工过程中 最主要的热源
• 对工件加工精度的影响最 为直接
• 在切削（磨削）过程中， 消耗于切削层的弹、塑性 变形能及刀具、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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
影响切削热传导的因素
工艺系统热变形对加工精度的影响
专题4 工艺系统热变形对加工精度
的影响及误差统计分析
工艺系统热变形对加工精度的影响
目录
一、概述 二、工件热变形对加工精度的影响 三、刀具热变形对加工精度的影响 四、机床热变形对加工精度的影响 五、减少工艺系统热变形对加工精
度影响的措施 六、误差统计分析 附录：误差分析的MATLAB实现
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
3、工艺系统的热平衡和温度场
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。
• 而工艺系统的热变形也就
达到某种程度的稳定。
工艺系统热变形对加工精度的影响
➢热变形对加工精度影响比较大，特别是在精密 加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差 通常会占到工件加工总误差的40％～70％。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
*****工艺系统热变形不仅影响加工精 度，而且还影响加工效率
因为为减少受热变形对加工精度的影响，通常需要： •预热机床以获得热平衡； •或降低切削用量以减少切削热和摩擦热； •或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工； •或增加工序（使粗、精加工分开）等等。
工艺系统热变形对加工精度的影响
二、工件热变形对加工的影响
（一）概述
• 在工艺系统热变形中，机床热变形最为复 杂，工件、刀具的热变形相对来说要简单 一些
• 使工件产生热变形的热源，主要是切削热。 对于精密零件，周围环境温度和局部受到 日光等外部热源的辐射热也不容忽视。
工艺系统热变形对加工精度的影响
• 磨削时磨屑小，带走的热量也少（约为4％），大部 分热量（84％左右）传入工件，使磨削表面的温度高 达800～1000℃左右，磨削热既影响工件的加工精度， 又影响工件的表面质量。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
内部热源:摩擦热
工艺系统中的摩擦热，主要是机床和液压系统中 运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠 副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动部分 产生的摩擦热。
•切削热 Q（J）的大小计算
Q Pzvt
式中 Pz --主切削力（N） v--切削速度（m／min） t--切削时间（min）
影响切削热传导的主要因素：工件、刀具、夹具、 机床等的材料的导热性能，以及周围介质的情况。
若工件材料热导率大，则由切屑和工件传导的切 削热较多；
若刀具材料热导率大，则从刀具传出的切削热也 会较多。
二、工件热变形对加工的影响
(二)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， 工件热变形量可按下式估算：
✓目前，无论在理论上还是在实践上都有许多问题 尚待研究解决。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
2、工艺系统的热源
•热的传递方式 热总是由高温处向低温处传递的。热的传 递方式有三种：
传导 对流 辐射
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热传导
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热对流
一、概 论
温度场
物体中各点的温度 分布称为温度场,
T=f( x , y, z ,t )
热平衡
稳态温度场
不稳态温度场
ຫໍສະໝຸດ Baidu
物体达到热平衡后，各点温 度将不再随时间而变化，只 是其坐标位置的函数。这种 温度场称为稳态温度场
当物体未达热平衡时， 各点温度不仅是坐标 位置的函数，也是时 间的函数。这种温度 场称为不稳态温度场
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
外部热源
如：
–需要昼夜连续加工时，昼夜温度不同，引起 工艺系统的热变形就不一样，从而影响了加 工精度
–照明灯光、加热器等对机床的热辐射，往往 是局部的，日光对机床的照射不仅是局部的， 而且不同时间的辐射热量和照射位置也不同， 因而会引起机床各部分不同的温升和变形， 这在大型、精密加工时尤其不能忽视。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热辐射
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
引起工艺系统变形的热源可分为:
– 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，其热量主要是以热传导的 形式传递的。
– 外部热源主要是指工艺系统外部的、以对流 传热为主要形式的环境温度（它与气温变化、 通风、空气对流和周围环境等有关）和各种 辐射热（包括由阳光、照明、暖气设备等发 出的辐射热）。
工艺系统热变形对加工精度的影响
各类切削加工方法热传导情况
• 车削，切屑所带走的热量最多，可达50％～80％（切 削速度越高，切屑带走热量占总切削热百分比就越 大），传给工件热量次之（约30％），传给刀具的热 量很少，一般不超过5％
• 铣、刨削加工，传给工件热量在总切削热的30％以下
• 钻削和卧式镗孔，大量的切屑滞留在孔中，传给工件 的热量就比车削时要高
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
• 概念 • 工艺系统的热源 • 工艺系统的热平衡和温度场
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
1、概念：
在机械加工过程中，工艺系统会受到各种 热的影响而产生变形，一般称为热变形。
➢这种变形将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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
在生产中，必须注意:
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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
二、工件热变形对加工的影响
（一）概述 （二）工件比较均匀受热 （三）工件不均匀受热
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
内部热源:切削热
• 切削热是切削加工过程中 最主要的热源
• 对工件加工精度的影响最 为直接
• 在切削（磨削）过程中， 消耗于切削层的弹、塑性 变形能及刀具、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。
工艺系统热变形对加工精度的影响
影响切削热传导的因素
工艺系统热变形对加工精度的影响
专题4 工艺系统热变形对加工精度
的影响及误差统计分析
工艺系统热变形对加工精度的影响
目录
一、概述 二、工件热变形对加工精度的影响 三、刀具热变形对加工精度的影响 四、机床热变形对加工精度的影响 五、减少工艺系统热变形对加工精
度影响的措施 六、误差统计分析 附录：误差分析的MATLAB实现
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
3、工艺系统的热平衡和温度场
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。
• 而工艺系统的热变形也就
达到某种程度的稳定。
工艺系统热变形对加工精度的影响
➢热变形对加工精度影响比较大，特别是在精密 加工和大件加工中，热变形所引起的加工误差 通常会占到工件加工总误差的40％～70％。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
*****工艺系统热变形不仅影响加工精 度，而且还影响加工效率
因为为减少受热变形对加工精度的影响，通常需要： •预热机床以获得热平衡； •或降低切削用量以减少切削热和摩擦热； •或粗加工后停机以待热量散发后再进行精加工； •或增加工序（使粗、精加工分开）等等。
工艺系统热变形对加工精度的影响
二、工件热变形对加工的影响
（一）概述
• 在工艺系统热变形中，机床热变形最为复 杂，工件、刀具的热变形相对来说要简单 一些
• 使工件产生热变形的热源，主要是切削热。 对于精密零件，周围环境温度和局部受到 日光等外部热源的辐射热也不容忽视。
工艺系统热变形对加工精度的影响
• 磨削时磨屑小，带走的热量也少（约为4％），大部 分热量（84％左右）传入工件，使磨削表面的温度高 达800～1000℃左右，磨削热既影响工件的加工精度， 又影响工件的表面质量。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
内部热源:摩擦热
工艺系统中的摩擦热，主要是机床和液压系统中 运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠 副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动部分 产生的摩擦热。
•切削热 Q（J）的大小计算
Q Pzvt
式中 Pz --主切削力（N） v--切削速度（m／min） t--切削时间（min）
影响切削热传导的主要因素：工件、刀具、夹具、 机床等的材料的导热性能，以及周围介质的情况。
若工件材料热导率大，则由切屑和工件传导的切 削热较多；
若刀具材料热导率大，则从刀具传出的切削热也 会较多。
二、工件热变形对加工的影响
(二)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， 工件热变形量可按下式估算：
✓目前，无论在理论上还是在实践上都有许多问题 尚待研究解决。
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
2、工艺系统的热源
•热的传递方式 热总是由高温处向低温处传递的。热的传 递方式有三种：
传导 对流 辐射
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热传导
工艺系统热变形对加工精度的影响
一、概 论
热对流
一、概 论
温度场
物体中各点的温度 分布称为温度场,
T=f( x , y, z ,t )
热平衡
稳态温度场
不稳态温度场
ຫໍສະໝຸດ Baidu
物体达到热平衡后，各点温 度将不再随时间而变化，只 是其坐标位置的函数。这种 温度场称为稳态温度场
当物体未达热平衡时， 各点温度不仅是坐标 位置的函数，也是时 间的函数。这种温度 场称为不稳态温度场