機械制造基礎44

1、四.工藝系統(tǒng)受力變形的影響（一）工藝系統(tǒng)的剛度（一）工藝系統(tǒng)的剛度 機械加工中，由機床、夾具、工件等環(huán)節(jié)組成機械加工中，由機床、夾具、工件等環(huán)節(jié)組成的工藝系統(tǒng)，在夾緊力、切削力、重力以及慣性力等的工藝系統(tǒng)，在夾緊力、切削力、重力以及慣性力等的作用下，將產生變形（彈、塑性變形）和振動，破的作用下，將產生變形（彈、塑性變形）和振動，破壞刀具和工件之間的正確位置而形成加工誤差，并使壞刀具和工件之間的正確位置而形成加工誤差，并使加工表面的表面粗糙度惡化。例如，在車削細長軸時，加工表面的表面粗糙度惡化。例如，在車削細長軸時，工件在切削力的作用下彎曲變形，加工后會產生鼓形工件在切削力的作用下彎曲變形，加工

2、后會產生鼓形的圓柱度誤差。的圓柱度誤差。 工藝系統(tǒng)在外力作用下產生變形的大小，不工藝系統(tǒng)在外力作用下產生變形的大小，不僅取決于外力的大小，而且和工藝系統(tǒng)抵抗外力僅取決于外力的大小，而且和工藝系統(tǒng)抵抗外力的能力，即工藝系統(tǒng)的剛度有關。的能力，即工藝系統(tǒng)的剛度有關。 工藝系統(tǒng)的剛度工藝系統(tǒng)的剛度K系統(tǒng)系統(tǒng)是指加工表面法向切削是指加工表面法向切削分力分力Fy與刀具的切削刃在切削力的作用下相對工件與刀具的切削刃在切削力的作用下相對工件在此方向位移在此方向位移y的比值。的比值。 K系統(tǒng)系統(tǒng)=Fyy 必須指出，法向位移必須指出，法向位移y除了受除了受Fy的影響外，還的影響外，還受受Fx、Fz的影響，即的影

3、響，即y值是在切削合力值是在切削合力F的作用下，的作用下，工藝系統(tǒng)在工藝系統(tǒng)在Fy方向的變形。方向的變形。 由于工藝系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)在外力作用下都由于工藝系統(tǒng)中的各個環(huán)節(jié)在外力作用下都會產生變形，故工藝系統(tǒng)沿加工表面法向變形值會產生變形，故工藝系統(tǒng)沿加工表面法向變形值的總和的總和y系統(tǒng)系統(tǒng)為為 y系統(tǒng)系統(tǒng)=y機床機床+y夾具夾具+y刀具刀具+y工件工件 （4-6） 根據剛度定義，根據剛度定義，K系統(tǒng)系統(tǒng)=Fyy系統(tǒng)系統(tǒng)；K機床機床=Fyy機床機床；K夾具夾具=Fyy夾具夾具； K刀具刀具=Fyy刀具刀具；K工件工件=Fyy工件工件， 可得可得 工件、刀具一般為簡單構件，其剛度可用材工件、刀具一

4、般為簡單構件，其剛度可用材料力學的有關公式進行近似的計算。機床、夾具料力學的有關公式進行近似的計算。機床、夾具的結構復雜，其受力與變形關系，以及各零件間的結構復雜，其受力與變形關系，以及各零件間的接觸剛度和部件剛度，難以用公式表達，目前的接觸剛度和部件剛度，難以用公式表達，目前主要用實驗方法進行測定主要用實驗方法進行測定。右圖為用實驗方法測出。右圖為用實驗方法測出中心高中心高200mm車床刀架部車床刀架部件的剛度曲線。件的剛度曲線。其特點為：其特點為： （1）剛度曲線不是直線剛度曲線不是直線，力和變形不成線，力和變形不成線性關系。表明變形不純粹是彈性變形。性關系。表明變形不純粹是彈性變形。 （

5、2）加載與卸載曲線不重合，兩曲線間的加載與卸載曲線不重合，兩曲線間的包容面積代表循環(huán)中消耗的能量包容面積代表循環(huán)中消耗的能量，即消耗于零，即消耗于零件間的接觸變形、摩擦和塑性變形等所作的功。件間的接觸變形、摩擦和塑性變形等所作的功。 （3）載荷卸去后曲線不能回到原點載荷卸去后曲線不能回到原點。第一。第一次加載、卸載后變形不能回到原點，這說明部次加載、卸載后變形不能回到原點，這說明部件存在塑性變形。在反復加載、卸載后，接觸件存在塑性變形。在反復加載、卸載后，接觸狀態(tài)才趨于穩(wěn)定，殘留變形接近于零。圖狀態(tài)才趨于穩(wěn)定，殘留變形接近于零。圖4-15中的第三次加載、卸載曲線的原點才開始重合。中的第三次加載

6、、卸載曲線的原點才開始重合。 （4）部件的實際剛度遠比按實體結構的估計值）部件的實際剛度遠比按實體結構的估計值小。由圖小。由圖4-15可知，載荷可知，載荷-變形曲線的斜率，即表示變形曲線的斜率，即表示剛度的大小，一般取第一次加載曲線兩端點連線的剛度的大小，一般取第一次加載曲線兩端點連線的斜率來表示其平均剛度，故刀架的剛度為斜率來表示其平均剛度，故刀架的剛度為即所測刀架部件的剛度，只相當于即所測刀架部件的剛度，只相當于30 30200mm鑄鐵件的剛度。鑄鐵件的剛度。 連接表面間的接觸變形。連接表面間的接觸變形。 薄弱零件本身的變形。薄弱零件本身的變形。 間隙的影響。間隙的影響。 摩擦力的影響。摩

7、擦力的影響。 刀架外形尺寸看起來較大，但它是由多個零刀架外形尺寸看起來較大，但它是由多個零件組合而成，其中存在薄弱環(huán)節(jié)，故比同樣大小件組合而成，其中存在薄弱環(huán)節(jié)，故比同樣大小整體零件的剛度低得多，其原因是：整體零件的剛度低得多，其原因是： 連接表面間的接觸變形連接表面間的接觸變形:零件表面都有一定的形狀零件表面都有一定的形狀誤差和表面粗糙度，故零件間的實際接觸面積，誤差和表面粗糙度，故零件間的實際接觸面積，僅是名義接觸面積的一小部分。而真正接觸的又僅是名義接觸面積的一小部分。而真正接觸的又只是這部分面積中表面粗糙度形成的若干凸峰。只是這部分面積中表面粗糙度形成的若干凸峰。在外力作用下，這些接觸

8、點產生了較大的應力和在外力作用下，這些接觸點產生了較大的應力和變形。這種接觸變形中不僅有表面層的彈性變形，變形。這種接觸變形中不僅有表面層的彈性變形，還有局部的塑性變形，故造成部件的剛度曲線不還有局部的塑性變形，故造成部件的剛度曲線不呈直線，也是部件剛度遠比實體零件剛度低的原呈直線，也是部件剛度遠比實體零件剛度低的原因之一。接觸表面的塑性變形還導致殘余變形因之一。接觸表面的塑性變形還導致殘余變形（見圖（見圖4-15）。經多次加載、卸載后才趨于穩(wěn)定。）。經多次加載、卸載后才趨于穩(wěn)定。出現殘余變形的另一原因是接觸面之間存在油膜，出現殘余變形的另一原因是接觸面之間存在油膜，經過幾次加載后才能逐漸排除

9、，這種現象在滑動經過幾次加載后才能逐漸排除，這種現象在滑動軸承副中較為明顯。軸承副中較為明顯。薄弱零件本身的變形薄弱零件本身的變形:如刀架及車床溜板中常用的如刀架及車床溜板中常用的楔鐵，結構薄而長，剛度很差，不易加工得很平楔鐵，結構薄而長，剛度很差，不易加工得很平直，裝配后接觸面積小，在外力作用下易產生較直，裝配后接觸面積小，在外力作用下易產生較大的變形（圖大的變形（圖4-16（a），使部件剛度降低。圖，使部件剛度降低。圖4-16（b）所示為軸承套）所示為軸承套和軸頸及箱體孔的接觸和軸頸及箱體孔的接觸情況，軸承套形狀誤差情況，軸承套形狀誤差造成的局部接觸使軸承造成的局部接觸使軸承套受力后產生較

10、大變形，套受力后產生較大變形，因而降低了軸承的剛度。因而降低了軸承的剛度。間隙的影響間隙的影響:圖圖4-17為在正、反兩個方向上交替加為在正、反兩個方向上交替加載、卸載所實測的剛度曲線，圖中載、卸載所實測的剛度曲線，圖中yc為殘留變形。為殘留變形。在實際加工中若僅是單向受力，零件間的間隙對在實際加工中若僅是單向受力，零件間的間隙對部件剛度沒有什么影響。若部件剛度沒有什么影響。若用鏜頭或行星式磨頭加工用鏜頭或行星式磨頭加工孔時，刀桿受力方向經?？讜r，刀桿受力方向經常改變，則間隙引起的變形改變，則間隙引起的變形對加工精度有著較大的影對加工精度有著較大的影響。不過，機床在運轉過響。不過，機床在運轉過程中，隨著零件的溫升，程中，隨著零件的溫升，連接面間的間隙逐漸減