机械制造技术基础B 第四章 第三节——工艺系统的受力变形对加工精度的影响

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章 机械加工质量分析与控制,第,一节 加工精度的概述,第二节 工艺系统几何误差对加工精度的影响,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,第四节 工艺系统的热变形对加工精度的影响,第五节 加工误差的统计分析,第六节 保证加工精度的途径,第七节 机械加工表面质量,本节内容,一、基本概念,二、工艺系统刚度的计算,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,四、影响机床部件刚度的因素,五、减小工艺系 统受力变形对加工精度的措施,六、工件残余应力重新分布引起的变形,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,一、基本概念,1.,工艺系统受力变形,切削加工时，工艺系统在切削力、夹紧力和重力的作用下，产生相应的变形，,使刀具和工件调整好的相互位置、以及切削时成形运动所需的几何关系发生变化。,如：,车削细长轴时，工件在切削力的作用下将发生变化。,如：,以横向切入法磨孔时，主轴弯曲变形将使工件内孔出现圆柱度误差。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2.,工艺系统的刚度（,k,）,“,工艺系统的刚度,”,反映了工艺系统抵抗弹性变形的能力。,刚度越大，工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，加工精度越高。,刚度,是指作用于工件加工表面法线方向上的切削分力,F,p,，与,刀具在切削力的作用下相对于工件在该方向上的位移,y,的比值，即,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,二、工艺系统刚度的计算,根据,k,=,F,y,/,y,得知，工艺系统在某一处的法向总变形位移,y,，,是系统的各个组成环节在同一处的法向变形的叠加：,则机床刚度,k,jc,、夹具刚度,k,jj,、刀具刚度,k,d,和工件刚度,k,g,为：,得到,:,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（一）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差,以在车床两顶尖间加工光轴为例，分析,力作用点位置变化,对工件形状的影响。,1.,机床的变形,假定工件短而粗，车刀悬伸长度短，刚度较好，受力变形量忽略不计；假定加工余量均匀，加工中切削力保持不变。,工艺系统的变形主要是机床主轴箱、尾座和刀架的变形。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,当车刀进给到,x,处，主轴箱受,F,A,力作用,，相应的变形,y,zx,=,AA,；尾座受,F,B,力作用,，变形量,y,wz,=,BB,；刀架受,F,P,力作用,，变形量,y,dj,=,CC,，工件轴心线,AB,位移到,A,B,。,刀具切削点处工件轴线位移,y,为：,B,y,wz,A,y,zx,D,D,x,y,x,L,C,C,y,dj,x,B,A,F,P,F,B,F,A,因刀具的变形,y,dj,与,y,x,的方向相反，故,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,由刚度的定义，得到机床的总变形为：,其中,k,zx,、,k,wz,、,k,dj,为主轴箱、尾座、刀架的刚度。,结论：,工艺系统的刚度随着切削力作用点位置变化而变化。,工艺系统的变形也随着切削力作用点的位置变化而变化。,A,B,C,D,D,C,B,A,y,wz,y,dj,y,zx,x,y,x,x,L,F,P,F,B,F,A,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,当,x,=0,时，,当,x,=,L,时，,当,x,=,L,/2,时，,加工时：,变形大的地方，切除的金属层薄；变形小的地方，切除的金属层厚。,结论：,因机床受力变形，加工后的工件呈两端粗，中间细的马鞍形。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2.,工件的变形,用两顶尖车削细长轴时，不考虑机床和刀具的变形，工件在切削点处的变形量,y,B,为,：,当,x,=0,或,x,=,L,，,y,B,=0,；当,x,=,L,/2,时，工件刚度最小，变形最大，即,结论：,加工后的工件呈中间粗的腰鼓形。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,几类工艺系统受力变形,“,随施力点位置的变化而变化,”,的情况,提高加工精度,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,3.,工艺系统的总变形,若同时考虑机床和工件的变形，忽略车刀变形，则工艺系统的总变形为二者的叠加,工艺系统的总刚度：,当测得车床的,k,zx,，,k,wz,，,k,dj,，又已知工件材料和尺寸，则根据,x,值，可估算车削圆轴时工艺系统的刚度,k,。,当已知切削条件和,F,P,，可估算不同,x,处工件半径的变化。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,在车床上加工短轴，如果毛坯形状误差和材料硬度不均匀，,也会引起切削力和工艺系统受力变形的变化，产生工件的尺寸误差和形状误差。,如图，,当加工一个偏心的毛坯时，工件每转一转，背吃刀量,a,P,将从最大值,a,P1,减小,到最小值,a,P2,，然后再增加大,a,P1,。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,a,P,的变化引起了切削力,F,的变化，,使工艺系统的受力变形,y,也发生变化。,且,F,越,大，,y,就,增大；,F,变,小，,y,就,变小。,“误差复映”,在加工有圆度误差的毛坯时，由于工艺系统的受力变形的变化，工件也产生相似的圆度误差称为误差复映。,因毛坯圆度误差为：,故工件圆度误差为：,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,工件的圆度误差：,由切削原理的切削力公式得：,称,为误差系数。,定量地反映了毛坯误差经加工后误差减小的程度。,当,C,（,f,、,a,P,）,或,k,，,都能使,，且,k,，能在保证加工精度前提下，提高生产率。,因,g,m,， 故,0,1,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,切削过程中，,增大走刀次数可,不断,减小工件的复映误差。设,1,、,2,、,3,分别为第一、第二、第三次走刀时的误差复映系数，则,总误差复映系数：,因,0,i,1,，则,总,1,，故经过多次走刀可提高加工精度，但生产率降低,。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,小结,毛坯有形状误差,（如圆度误差、圆柱度误差、直线误差误差）或位置误差（如偏心、径向圆跳动）时，加工后仍然会存在同类的加工误差。,毛坯硬度不均匀，引起切削力的变化也造成加工误差。,采用调整法成批生产时，加工过程的走刀次数已定，若一批毛坯材料的硬度差别很大，就会使加工后的工件尺寸分散范围扩大，甚至超差。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（三 ）夹紧力、重力和惯性力引起的加工误差,1.,夹紧力引起的加工误差,夹紧工件时，如果工件刚度较低或夹紧方法、作用点不当，会使工件产生相应的变形，造成加工误差。,（,1,）三爪卡盘夹持薄壁套筒,薄壁套的夹紧变形,解决：,采用开口过渡环或专用卡爪消除变形误差。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,三爪卡盘夹持薄壁套筒产生夹紧变形及改进方案的演示,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（,2,）在平面磨床上磨削薄片零件,假定薄片坯件翘曲，磨削前被电磁工作台吸紧时，产生弹性变形，磨削后取下工件弹性变形恢复，已磨平的表面又产生翘曲。,工作台磁盘,改进方法,薄橡胶皮,在工件和工作台中间垫入一层薄橡皮。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,在平面磨床上磨削薄片零件变形过程的演示,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2.,重力引起的加工误差,（,1,）立式车床的横梁在刀架自重下引起的变形,立式车床在刀架的自重下发生变形，将造成工件端面的平面误差和外圆表面的锥度。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（,2,）加工大型工件其自重引起的变形,措施,在实际生产中，装夹大型工件时，在恰当位置布置支承可以减小自重引起的变形。如图：,D,E,y,2,L,2/9,L,2/9,L,A,B,y,1,C,加工床身导轨面时，,导轨自重引起的变形有时会产生较大的加工误差。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,3.,惯性力引起的加工误差,造成误差的原因,高速切削时，若工艺系统有不平衡的旋转构件存在，就会产生离心力，,引起工件几何轴线的回转误差和工艺系统的强迫振动。,解决方法：,采用,“,对重平衡,”,方案,，即在不平衡质量的反向加重块，使两者的离心力相互抵消。,适当降低转速。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,四、影响机床部件刚度的因素,影响因素,：,零件接合表面间的接触变形，摩擦力的影响，结合面的间隙，薄弱零件的变形。,1.,接合表面间的接触变形,因零件表面存在宏观和微观误差，故,零件之间接合表面的实际接触是小部分的凸峰接触。,当外力作用时，凸峰接触点将产生较大的接触应力，出现接触变形（包括表层弹变和局部塑变）。,结论,接合表面的接触刚度随法向载荷的增加而增大，并受接触面材料、硬度、粗糙度、表面形状误差等影响。,R,a,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2.,零件间摩擦力的影响,机床部件受力变形时，零件间连接表面会发生错动，加载时摩擦力阻碍变形的发生，卸载时摩擦力阻碍变形的恢复。,3.,结合面的间隙,若部件中各零件间有间隙，受力后会相互错动，则刚度较低。,在间隙消除后，相应表面接触，开始产生接触变形和弹性变形，则刚度较大。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,4.,薄弱零件本身的变形,例如：,图,a,溜板部件中的,楔铁,因变形与导轨面配合不好；,图,b,轴承的衬套因形状误差与壳体接触不良。,机床部件中，薄弱零件受力变形造成整个部件刚度大大降低。,楔铁,轴承衬套,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,五、减小工艺系统受力变形对加工精度的影响,从,“,提高工艺系统的刚度,”,和,“,减小载荷及其变化,”,两方面采取措施，来减小工艺系统的受力变形。,（一）提高工艺系统的刚度,1.,合理的结构设计,在机械制造装备设计中，重点考虑结构刚度：,尽量减少连接面数目，防止出现局部低刚度。,合理选择基础、支承零件的结构和截面形状。,在适当部位设置加强肋和支承筋。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2.,提高连接表面的接触刚度,（,1,）提高机床零件结合表面的质量,提高导轨的研刮质量、提高顶尖锥柄与主轴和尾座套筒的接触质量等等,，增加实际接触面积。,（,2,）对机床部件实施预加载荷,消除零件接合面间的间隙，增加实际接触面积，减小受力后的变形。,（,3,）提高工件定位基准面的精度,保证工件加工精度。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,3.,采用合理的装夹和加工方式,如图，在卧式铣床上铣削角铁形工件的装夹：,按,a,方式,装夹加工，工件的刚度较低。,按,b,方式,装夹加工，工件的刚度可较大的提高。,不合理,合理,1,）合理的装夹方式,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,如图，,加工细长轴时，若从主轴箱向尾座进给，能使工件从原来的轴向受压变为轴向受拉，而提高工件刚度,。,如图，,加工细长轴时，增加中心架或跟刀架等辅助支承来提高工件加工精度,。,2,） 合理的加工方式,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（二）,减小载荷及其变化,1,）合理选择刀具的几何参数,增大刀具的前角，取主偏角接近,90,0,等，来减小切屑变形和切削力。,2,）合理选择切削用量,适当减小进给量和背吃刀量，以减小切削力来减小受力变形。,3,）将毛坯分组,使采用调整法加工的毛坯的余量比较均匀，来减小切削力的变化和毛坯复映误差。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,六、工件残余应力引起的变形,是,指在没有外力作用下或去除外力后，工件内存留的应力。,特性：,具有残余应力的零件处于一种不稳定的状态，其内部组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的无应力的状态。在这一变化过程中，零件会曲翘变形，原有的加工精度会逐渐丧失。,1.,残余应力的概念及特性,何谓,残余应力,影响因素：,毛坯的结构,结构,越复杂，各部分的厚度越不均匀，产生的残余应力较大。,表面切削加工,工,件的某些表面被切去一层金属后，残余应力将重新分布。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（,1,）毛坯制造和热处理产生的残余应力,在铸、锻、焊、热处理等加工中，由于各部分冷热收缩不均匀，以及金相组织转变的体积变化，使毛坯内部产生较大的残余应力。,2.,残余应力产生的原因,金属内部相邻组织发生不均匀的体积变化而产生残余应力。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,铸件残余应力的形成过程演示：,铸件残余应力引起变形,通常铸造后的机床床身，其导轨面和冷却快的地方都会出现压应力。,有压应力的导轨表面在粗加工中被切去一层后，残余应力重新分布，致使导轨中部下凹。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,2,）冷校直带来的残余应力,冷校直,是对一些弯曲的金属工件，施加一作用力，使工件产生反向弯曲，产生一定的塑性变形而校直。,压,拉,加载,压,压,拉,拉,卸载,冷校直后，虽然弯曲减小了，但内部的组织仍处于不稳定状态，若再进行一次加工，又会产生新的弯曲。,3,）切削加工带来的残余应力,切削中的,力和热,，使工件表面层产生残余应力。,第三节 工艺系统的受力变形对加工精度的影响,（,2,）,合理安排工艺过程,粗、精加工分开；大型工件的粗精加工集中时，应在粗加工后松开工件，让工件自由变形，再夹紧进行精加工；在精密丝杠的加工中采用热校直。,3.,减少或消除残余应力的措施：,（,1,）,增加消除内应力的热处理工序,对铸、锻件进行退火、正火处理；对床身、主轴、丝杠等在粗加工后进行失效处理。,（,3,）改善零件的结构，提高刚性，壁厚均匀。,第二节 原理误差与工艺系统几何误差对加工精度的影响,第四章,机械加工质量与控制,结束,第三节 工艺系统受力变形对,加工精度的影响,