工藝系統(tǒng)剛度及受力變形

1、專題3機械加工精度與工藝系統(tǒng)剛度及受力變形,目 錄,一、機械加工精度 二、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算 三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響 四、機床部件剛度 五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響的措施 六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,一、機械加工精度,（一）概念,加工精度是指零件加工后的實際幾何參數(shù)（尺寸、形狀及各表面相互位置等參數(shù)）與理想幾何參數(shù)的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,表面絕對平面、圓柱面等； 位置絕對平行、垂直、同軸等； 尺寸位于公差帶中心。,一、機械加工精度,機械加工精度,尺寸精度,形狀精度,位置精度,一般情況下，形狀誤差應(yīng)限制在位置公差之內(nèi)，而位置誤差又應(yīng)限制在

2、尺寸公差之內(nèi)。,一、機械加工精度,（二）獲得加工精度的方法,1、獲得尺寸精度的方法,試切法：用于單件小批生產(chǎn)；,調(diào)整法：用于成批大量生產(chǎn)；,定尺寸刀具法：生產(chǎn)率高，刀具制造復(fù)雜；,自動控制法：切削測量補償自動完成。,一、機械加工精度,一、機械加工精度,一、機械加工精度,2、獲得形狀精度的方法,軌跡法：利用刀尖運動軌跡形成工件表面形狀；,成形刀具法：由刀刃的形狀形成工件表面形狀；,展成法：由切削刃包絡(luò)面形成工件表面形狀；,3、獲得相互位置精度的方法,主要由機床精度、夾具精度和工件的裝夾精度來保證。,仿形法：在普通銑床上用軸向剖面形狀與被切齒輪齒槽形狀完全相同的銑刀切制齒輪的方法。,一、機械加工精

3、度,(三)加工誤差與原始誤差,加工誤差是指零件加工后的實際幾何參數(shù)對理想幾何參數(shù)的偏離程度。加工誤差的大小表示了加工精度的高低，加工誤差是加工精度的度量。,由機床、夾具、刀具和工件組成的機械加工工藝系統(tǒng)的誤差是工件產(chǎn)生加工誤差的根源。我們把工藝系統(tǒng)的各種誤差稱之為原始誤差。,使工藝系統(tǒng)各組成部分之間的位置關(guān)系或速度關(guān)系偏離了理想狀態(tài)，致使加工后的零件產(chǎn)生了加工誤差。,一、機械加工精度,一、機械加工精度,原始誤差對加工誤差的影響,各種原始誤差的大小和方向各有不同，而加工誤差則必須在工序尺寸方向上測量。所以原始誤差的方向不同時對加工誤差的影響也不同。,把對加工誤差影響最大的那個方向（即通過刀刃的加

4、工表面的法線方向）稱為誤差敏感方向。,一、機械加工精度,d,R,R+ R,R,Y,o,D,R,Z,Z,Y,當(dāng)主軸在Z方向存在誤差Z時，反映到工件半徑方向上的誤差為Rz,當(dāng)主軸在Y方向存在誤差Y時，則此誤差將是1：1反映到工件半徑方向上,一、機械加工精度,圖例,一、機械加工精度,一、機械加工精度,(四)影響加工精度的因素,一、機械加工精度,二、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,產(chǎn)生原因： 切削加工時，工藝系統(tǒng)在切削力、夾緊力以及重力等的作用下，將產(chǎn)生相應(yīng)的變形，使刀具和工件在靜態(tài)下調(diào)整好的相互位置，以及切削成形運動所需要的正確幾何關(guān)系發(fā)生變化，而造成加工誤差。,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,破壞了刀

5、具、工件間相對位置,工藝系統(tǒng)受力變形現(xiàn)象,例如車削細(xì)長軸時，工件在切削力的作用下會發(fā)生變形，使加工出的軸出現(xiàn)中間粗兩頭細(xì)的情況。,二、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,（一）物體的剛度,任何一個物體受力后總要產(chǎn)生一些變形。作用力F與其作用下產(chǎn)生的變形量y的比值，稱為物體的剛度。,二、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,（二）工藝系統(tǒng)的靜剛度,二、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,一、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,（三）工藝系統(tǒng)剛度的計算,工藝系統(tǒng)在某一處的法向總變形y是各個組成環(huán)節(jié)在同一處的法向變形的迭加： 分別為機床受力變形yjc 、夾具變形yjj、刀具變形yd、工件變形yg,一、工藝系統(tǒng)剛度的概念及計算,已知工藝系統(tǒng)各

6、組成環(huán)節(jié)的剛度，即可求得工藝系統(tǒng)的剛度,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差 （二）切削力大小變化引起的加工誤差 （三）夾緊力和重力引起的加工誤差 （四）傳動力和慣性力對加工精度影響,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,1、機床的變形 2、工件的變形 3、工藝系統(tǒng)的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,假定條件： 工件短而粗，車刀懸伸長度很短，工件和刀具的剛度很好，其受力變形比機床的變形小，可忽略不計。（單因素法） FA，F(xiàn)y，F(xiàn)B之間的關(guān)系符合力矩平衡 計算得

7、：,1機床的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,1機床的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,機床的總變形是隨著切削力作用點（x）的變化的 在x0和xL的情況下，工件變形較大 在 時，機床變形最小 變形大的地方，從工件上切去的金屬層薄，變形小的地方，切除的金屬層厚 所以，機床受力變形而使得加工出來的工件呈兩端粗，中間細(xì)的馬鞍型。,計算結(jié)果說明,1機床的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,工件加工結(jié)果,1機床的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,

8、（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,2工件的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,2工件的變形,在兩頂尖裝夾剛性差的細(xì)長軸，假設(shè)不考慮機床刀具變形，即可由公式得出： 當(dāng)x0或xL時，變形最小，為0 當(dāng)xL/2時，工件剛度最小，變形最大 加工結(jié)果：工件呈鼓形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,3工藝系統(tǒng)的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,3工藝系統(tǒng)的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（一）切削力作用點位置變化引起的工件形狀誤差,3工藝系

9、統(tǒng)的變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,假設(shè)條件： 車床加工短軸，工藝系統(tǒng)的剛度變化不大，（近似常量） 毛坯形狀誤差較大或者材料硬度很不均勻，工件加工時切削力的大小就會有較大的變化，從而引起工件的加工誤差,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,以橢圓截面車削為例說明,由于工藝系統(tǒng)受力變形，使毛坯誤差部分反映到工件上，此種現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”.,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,車削前圓度誤差：,車削后圓度誤差：,誤差復(fù)映系數(shù),三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的

10、影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,第一次走刀：,第n次走刀：,則：,可見：n，則：；kxt，則：,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,1、增加走刀次數(shù)可大大減小工件的復(fù)映誤差 2、當(dāng)工件毛坯有形狀誤差（如圓度、圓柱度、直線度等）或者相互位置誤差（如偏心、徑向跳動等）時，加工后仍然會有同類的加工誤差出現(xiàn)。在成批大量生產(chǎn)中用調(diào)整法加工一批工件時，如毛坯尺寸不一，則加工后，這批工件仍有尺寸不一的誤差,結(jié) 論,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（二）切削力大小變化引起的加工誤差,結(jié) 論,3、毛坯硬度不均勻，同樣會造成加工誤差 4、在采用調(diào)整法成批生產(chǎn)情況下，控

11、制毛坯材料硬度的均勻性是重要。因為加工過程中走刀次數(shù)通常已定，如果一批毛坯材料的硬度差別很大，就會使得洞見的尺寸分散范圍擴大，甚至超差,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（三）夾緊力和重力引起的加工誤差,套筒夾緊變形誤差及采用開口過渡環(huán),三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（三）夾緊力和重力引起的加工誤差,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（三）夾緊力和重力引起的加工誤差,機床部件自重引起地橫梁變形,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（四）傳動力和慣性對加工精度影響,在車床或磨床類機床上加工軸類零件時，常用單爪撥盤帶動工件旋轉(zhuǎn)。傳動力在撥盤的每一轉(zhuǎn)中不斷改變方向，和慣性力一樣，其在誤差敏感方向的

12、分力有時將工件推向刀具，有時將工件拉離刀具，從而造成工件的圓度誤差。,傳動力引起的加工誤差,三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響,（四）傳動力和慣性對加工精度影響,慣性力引起的加工誤差,在切削加工中，由于高速旋轉(zhuǎn)的零部件（包括夾具、工件和刀具）的不平衡而產(chǎn)生離心力。在每一轉(zhuǎn)中，離心力不斷改變方向，它在誤差敏感方向的分力有時將工件推向刀具，有時將工件拉離刀具，使工藝系統(tǒng)的受力變形發(fā)生變化，從而引起加工誤差。,四、機床部件剛度,（一）機床部件剛度測定 1、靜態(tài)測定法 機床不工作狀態(tài)下，模擬切削時受力情況，對機床施加靜載荷，測出機床各部件在不同靜載荷下的變形，就可以作出各部件的剛度特性曲線并計算出剛度

13、2、工作狀態(tài)測定法 依據(jù)誤差復(fù)映規(guī)律，進(jìn)行計算,四、機床部件剛度,四、機床部件剛度,1、變形與作用力不是線性關(guān)系，反映刀架變形不純粹是彈性變形 2、加載與卸載曲線不重合，說明有能量損失克服部件內(nèi)零件件摩擦和接觸塑性變形所做的功 3、卸載后曲線不回到原點，說明有殘留變形，反復(fù)加載，殘留變形逐漸接近于0 4、部件的實際剛度遠(yuǎn)小于估算剛度,說 明,四、機床部件剛度,（二）影響機床部件剛度的因素,零件表面總是存在著宏觀和微觀的形狀誤差，連接表面之間的實際接觸面積小于名義接觸面積。在外力作用下，這些接觸處將產(chǎn)生較大的接觸應(yīng)力而引起接觸變形。既有彈性變形，也有局部的塑性變形。,1.連接表面的接觸變形,四、

14、機床部件剛度,（二）影響機床部件剛度的因素,連接表面間的接觸變形,零件接觸面在外力作用下抵抗接觸變形的能力稱為接觸剛度。影響接觸剛度的主要因素是接觸表面的粗糙度、表面形狀誤差、材料的硬度等。,四、機床部件剛度,（二）影響機床部件剛度的因素,薄弱零件變形示意圖,如果部件中有某些剛度很低的零件時，受力后這些低剛度零件會產(chǎn)生很大的變形，使整個部件的剛度降低。如圖所示，由于床鞍部件中的楔鐵細(xì)長、剛性差，不易加工平直，加上使用接觸不良，在外力作用下，就會產(chǎn)生很大變形，使部件剛度大大降低。,2.部件中薄弱零件的影響,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度 （二）減小載荷及其變

15、化,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,1.提高工件的剛度,增加支承提高工件的剛度 a）采用中心架 b）采用跟刀架,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,2.提高機床部件的剛度,采用輔助支承提高機床部件的剛度,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,3.提高接觸剛度,一般部件的剛度都是接觸剛度低于實體零件的剛度，所以提高接觸剛度是提高工藝系統(tǒng)剛度的關(guān)鍵。 常用的提高接觸剛度方法： （1）提高機床部件中零件間接合表面的質(zhì)量 （2）給機床部件以預(yù)加載荷 （3）提高工件定位基準(zhǔn)面的精度和減小表面粗糙度值,

16、五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,4.合理裝夾工件，減小夾緊變形,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,4.合理裝夾工件，減小夾緊變形,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度,5.采用補償或轉(zhuǎn)移變形的方法,變形補償法,五、減少工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度影響措施,（二）減小載荷及其變化,適當(dāng)?shù)墓に嚧胧哼x擇合理的刀具幾何參數(shù)和切削用量，以減小切削力，就可以減少受力變形 毛坯分組，使得一次調(diào)整中加工的毛坯余量比較均勻，就能減小切削力的變化，減小復(fù)映誤差,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,（一）毛坯制造和熱處

17、理過程產(chǎn)生的殘余應(yīng)力。 在鑄、鍛、焊、熱處理等加工過程中，由于各部分冷熱收縮不均勻以及金相組織轉(zhuǎn)變的體積變化，是毛坯內(nèi)部產(chǎn)生了相當(dāng)大的殘余應(yīng)力，毛坯的結(jié)構(gòu)愈復(fù)雜，各部分的厚度愈不均勻，散熱的條件相差愈大，則在毛坯內(nèi)部產(chǎn)生的殘余應(yīng)力也愈大。 具有殘余應(yīng)力的毛坯由于殘余應(yīng)力暫時處于相對平衡的狀態(tài)，在短時間內(nèi)還看不出什么變化。當(dāng)加工時某些表面被切去一層金屬后，就打破了這種平衡，殘余應(yīng)力將重新分布，零件就明顯地出現(xiàn)了變形。,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,鑄件的殘余應(yīng)力及加工后的變形,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,（二）冷校直帶來的殘余應(yīng)力。 彎曲的工件（原來無殘余應(yīng)力）要校直，必須使工件產(chǎn)生反向彎曲，并使工件產(chǎn)生一定的塑性變形。 當(dāng)工件外層應(yīng)力超過屈服強度，其內(nèi)層應(yīng)力還未超過彈性極限。 去除外力后，由于下部外層已產(chǎn)生拉伸的塑性變形，故里層的彈性恢復(fù)受到阻礙。結(jié)果上部外層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力，上部里層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力；下部外層產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，下部里層產(chǎn)生殘余拉應(yīng)力。 冷校直后雖然彎曲減小了，但內(nèi)部組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)。,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,冷校直引起的殘余應(yīng)力,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,（三）切削加工帶來的殘余應(yīng)力 切削過程中產(chǎn)生的力和熱，被加工工件表面層產(chǎn)生殘余應(yīng)力。,六、工件殘余應(yīng)力引起的變形,