06第六講工藝系統(tǒng)剛度

1、機械制造工藝過程第六講剛度的概念本次課程目標1剛度的概念、工藝系統(tǒng)剛度的計算 2工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響(1) 切削力作用點位置(機床的變形、工件的變形)(2) 切削力大小(3) 夾緊力和重力(4) 傳動力和慣性力3機床部件剛度4相關(guān)措施5工件殘余應力剛度的概念切削加工時，工藝系統(tǒng)在切削力.加緊力以及重力等的作 用下，將產(chǎn)生相應的變形，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。例如車削細長軸時，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)中間粗兩頭細的情況。剛度的概念剛度的概念a)b)3-28t藝殺統(tǒng)哽丿J變狼引起的011

2、匚®用在內(nèi)圓磨床上以橫向切入法磨孔時，由于內(nèi)圓磨頭主軸彎曲變形，磨出的孔會出現(xiàn)圓柱度誤差。剛度的概念（一）工藝系統(tǒng)的靜剛度定義：k =注意工件和刀具在 y方向產(chǎn)生的相對位移 八不只是作用的結(jié)果，而是 Fx. F .匕同時 作用的綜合結(jié)果#工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響#工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響各部分剛度：#工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響11工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響代入上式得：liiii=111k U k. kd kg（一）切削力作用點位置變化引起工件的形狀誤差1、機床的變形（在兩頂尖間車削短而粗的光軸）剛度受力變形頭架KqJ =乂）/ vfafv r-x小九kJ KtjL尾座JF

3、b =V- FB _FyXWZ kwz J L刀架Fyy -卩"kdj系統(tǒng)KFyyjc =兒 + ydjyjc= 5 +； + m#工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響13工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響=ytj +（，樫 _）t+ 乎也1 J#工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響15工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響結(jié)論：隨著切削力作用點位置的變化,工藝系統(tǒng)的變形是變化的。當兀=0時，Jyc當x=L時，當x=L/2時,當兀=/KWZ1 1Fk a k .、11FkJ wzy jo =兒“n= Fydj丿1F4kH 4k1 1Fwz k djI時，機床變形最小:F J+心 kdj >加工出來的工件呈兩端

4、粗、中間細的鞍形。圖匸件在頂尖上 車削后的形狀1 一機床平變形的理想情況2 占慮1 軸箱、I d W變形的W況3包括考慮刀架變形在內(nèi)的1W況10例題分析在車床的兩頂尖間加工短而粗的光軸外圓時（工件的剛度相 對于機床剛度大得多），若已知Fy=100N, Kt j=100000N/mm, Kwz=50000N/mm,試求由于機床剛度不均勻引起的加工表面的形狀誤差為多少?參考答案#3參考答案F f解：機床的變形：“式+疋求兒c的極值令兒= 0，則V7,2F”2Fy（L-x）2V =“ K L2 KtiL7HZ（Jx （乙工）A=o；解得 x5000 LL5000 + 100003，所以+時，兒取得最

5、小值:193參考答案參考答案在尾座處，剛度最小夕 兒最大。F F亠亠；加工后，軸的形狀誤差AZ) = 2(yy jc (max)jc (max) y jc (min)/& K1004、x 100009丿(F F )+ 宀K爲=2、 °'100 8x 150009= 0.0266 mm,3丿丿12# 工件的變形（車削細長軸）圖:車削細長軸時工件的變形F（乙x）2 x23EI23 工件的變形（車削細長軸）# 工件的變形（車削細長軸）不考慮機床和刀具的變形,由材料力學# 工件的變形（車削細長軸）公式計算工件在切削點的變形量;Fy (L - x)2x2y g '3EI

6、 L當兀=0或兀=E時，y = 0;O當X = LI2時夕工件剛度最小夕變 形最大:# 工件的變形（車削細長軸）# 工件的變形（車削細長軸）y max因此，加工后的工件呈鼓形。工藝系統(tǒng)的總變形工藝系統(tǒng)的總變形V =兒C +兒工藝系統(tǒng)的剛度Kdj 3 EIL工藝系統(tǒng)的總變形工藝系統(tǒng)的總變形J）27工藝系統(tǒng)的總變形圖6-18工藝系統(tǒng)受力變形隨總切削力作用點位置變化的幾個例子仃切削力大小變化引起的加工誤差a pi車削時的誤差復映誤差復映誤差復映:的變化而使工件產(chǎn)生相應的圓度誤差,匕則工件的圓度誤差由于工藝系統(tǒng)受力變形 這種現(xiàn)象叫做“誤差復 如果工藝系統(tǒng)的剛度為29誤差復映#誤差復映(321)#誤差復

7、映由切削原理可知x P yn PFy=CF apy f (HB ) v式中 CF 一一與刀具幾何參數(shù)及 切削條件有關(guān)的參數(shù);a p 背吃刀量；f一 一進給量；HB 一一工件材料硬度；xF > yE、nF - -指數(shù)。yy#誤差復映在工件材料硬度均勻，刀具、切削條件和進給量一定的情況下，CF廣'(HB)% =(7為常數(shù)。在車削加工中y兀尸U1,于是切削分力可些成yFy二化 因此：Fyl =Capl , Fy2 = C« p2 代入式(3-21)得：ccAg 二匚(ap _ ap2)二匚bm m(3-22)式中：£= /稱為誤差復映系數(shù)。19 Ag =叫 <

8、 A（定量反映毛坯誤差經(jīng)加工后所減小的程度減小C或增大&都能是£減小。誤差復映誤差復映1）減小/ 減小C £減小。2）增大k -減小 丁 -通過增大./提高效率。3）增加走刀次數(shù)可大大減小工件的復映誤差。設歹、6、勺分別為第一次、第二次、第三次走刀誤差復映誤差復映時的誤差復映系數(shù)，貝!I1八誤差復映誤差復映遠小于則總的誤差復映系數(shù)誤差復映多次走刀可提高加工精度，但也意味著生產(chǎn)率2確低#夾緊力和重力引起的加工誤差且)b)c)圖6-19喬筒夾緊變形誤差35夾緊力和重力引起的加工誤差#夾緊力和重力引起的加工誤差W7/77/AX/Af)#夾緊力和重力引起的加工誤差37夾緊力

9、和重力引起的加工誤差® 3-33薄片匚件的皤削a) E坯翹曲Q吸盤吸緊c磨厲松片匚件翹曲0磨削凸面 Q解謝卩傾i D酬后松開1：件平貢a.；圖3-34存力點不半引起的加J WX：#夾緊力和重力引起的加工誤差39夾緊力和重力引起的加工誤差b)#夾緊力和重力引起的加工誤差#夾緊力和重力引起的加工誤差圖6創(chuàng)機床部件自重所引起的誤差#夾緊力和重力引起的加工誤差圖3-36 工件門訛所造成的渓建1傳動力影響（見下頁圖）整個工件在空間作圓錐運動:固定的后頂尖為其錐角頂點，前頂尖帶著工件在工件畫出 一個圓和主軸圓錐擺動一樣，正圓柱，并不產(chǎn)生加工誤差。27圖3 37 單爪撥盤傳動卜工件的受力與變形八i

10、rz 丿.tn ii x. I « I v- xz. i- wa r r r . - e/r 廠2慣性力的影響高速切削 不平衡的高速旋轉(zhuǎn)構(gòu)件離心力存在-軸線作圓錐擺動- -理論上無圓柱誤差，但是，離心力大于切削力軸徑和軸套內(nèi)孔的接觸點 不停變化- -軸套孔圓度誤差傳給工件的回轉(zhuǎn)軸心。周期性的慣性力還常常引起工藝系統(tǒng)的強迫振動。解決辦法：對重平衡#機床部件剛度（一）機床靜剛度的測定:車床刀架的靜剛度特性曲線1靜態(tài)測定法2.工作狀態(tài)測定法47機床部件剛度#機床部件剛度300020001000J-77 /A/1020304050y/ U m圖 6-13一次加載車床刀架的靜剛度特性曲線二次加

11、載三決加載1變形與作用力不是線性關(guān)系;刀架變形不純粹是彈性變形2加載與御載曲線不重合；有能量損失，克服摩擦和接觸變形所作的功3御載后曲線不回到原點;有殘留變形4部件的實際剛度遠比按實體所估算的小。工作狀態(tài)測定法圖3-39 車床剛度的匚作狀態(tài)測定法依據(jù)：誤差復映規(guī)律，左二中、右臺階處的誤差復映系數(shù)依據(jù)：誤差復映規(guī)律，左二中、右臺階處的誤差復映系數(shù)“知 - h126 =幾_比2-h223132三處系統(tǒng)的剛度分別為解方程組：彳1Fk科kA勺dj1 11_ 4心kd1 1+ k工111解得：一=ktj5ka1 2kdj kX(21k _WZ1 1 -(+2 kxti57影響部件剛度的主要因素1、連接表

12、面間的接觸變形2、薄弱零件本身的變形3、摩擦力的影響4、接合面的間隙59影響部件剛度的主要因素表而粗糙度。且真正處于,并產(chǎn)生接觸1連接表而間的接觸變形零件表面間存在：宏觀幾何形狀誤差和微觀的實際接觸面積只是理論接觸面積的一部分，并接觸狀態(tài)的，只是這一部分的一些凸峰。外力作用時，在接觸點將產(chǎn)生較大的接觸應力變形（表而層彈性變形 ，局部塑性變形）以上是部件剛度曲線不呈直線，以及剛度遠比同尺寸實體的剛度要低的原因。影響部件剛度的主要因素影響部件剛度的主要因素1連接表而間的接觸變形接觸剛度：名義壓強的增量dp與接觸變形增量心之比。接觸變形與接觸表而的結(jié)論：連接表而的接觸并受接觸表而材料、碩以及表而兒何

13、形狀誤差名義壓強有如下關(guān)系:my = cp(5) 代入上式得：k.=丄cm剛度將隨法向載荷的增度、表而粗糙度、表而等因素的影響。(加、c為系數(shù))加而增人，紋理方向，36影響部件剛度的主要因素影響部件剛度的主要因素影響部件剛度的主要因素2、薄弱零件本身的變形影響部件剛度的主要因素影響部件剛度的主要因素a)b)影響部件剛度的主要因素圖6-14 部件中的薄弱環(huán)節(jié)#影響部件剛度的主要因素3 .摩擦力的影響機床部件受力變形- -零件間連接表面發(fā)生錯動- -加載時摩擦力阻礙變形的發(fā)生- -御載 時摩擦力阻礙變形的恢復- -造成加載御載剛度 曲線不重合。65影響部件剛度的主要因素4 .接合面的間隙部件中各零

14、件間如果有間隙- -受到較小的力（克服摩擦力）就會使零件相互錯動- -表現(xiàn)為剛度很低。間隙消除后- -相應表面接觸- -開始有接觸變形和彈 性變形- -表現(xiàn)為剛度很大。單項載荷，第一次加載消除間隙后對加工精度的影響較??； 動作載荷不斷改變方向（錢.銃），間隙的影響大。#減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施（一）提高工藝系統(tǒng)的剛度（二）減小載荷及其變化69減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施(一) 提高工藝系統(tǒng)的剛度1合理的結(jié)構(gòu)設計2提高連接表面的接觸剛度(1)提高機床部件中零件間接合表面的質(zhì)量(2 )給機床部件以預加載荷 (3 )提高工件定位基準面的精度和減小表面粗糙度值3采用合理的裝夾和加工方式42圖6-23銃

15、角鐵形零件的兩種裝夾方法 a）裝夾剛性差 b）裝夾剛性好#減小工藝系統(tǒng)受力變形的措施（二）減小載荷及其變化合理選擇刀具幾何參數(shù)、切削用量以減小切 削力，減少受力變形。毛坯分組，一次調(diào)整中加工的毛坯余量比較 均勻，較小切削力的變化，減小復映誤差。71工件殘余應力引起的變形殘余應力也稱內(nèi)應力，是指在沒有外力作用下或除去外力后工件內(nèi)存留的應力。具有殘余應力的零件處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。它內(nèi)部的組織有強烈的傾向要恢復到一個穩(wěn)定的沒有應力的狀態(tài)。即使在常溫下，零件也會不斷地緩慢地進行這種變化，直到 殘余應力完全松弛為止。在這一過程中，零件將會翹曲變形，原 有的加工精度會逐漸喪失。殘余應力是由于金屬內(nèi)部相鄰

16、組織發(fā)生不均勻的體積變化 而產(chǎn)生的，促成這種變化的主要因素來自冷.熱加工。（一）毛坯制造和熱處理過程產(chǎn)生的殘余應力。（二）冷校直帶來的殘余應力。（三）切削加工帶來的殘余應力73工件殘余應力引起的變形（一）毛坯制造和熱處理過程產(chǎn)生的殘余應力。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 當大的殘余應力，毛坯的結(jié)構(gòu)愈復雜，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)生的殘余應力也愈大。具有殘余應力的毛坯由于殘余應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。當加工時某些表面被切去 一層金屬后，就打破了這種平衡，殘

17、余應力將重新分布，零件 就明顯地出現(xiàn)了變形。#工件殘余應力引起的變形#工件殘余應力引起的變形圖鑄件殘余應力的賅成及變形工件殘余應力引起的變形工件殘余應力引起的變形a)b)06-21床身鑄件的殘余應力及加工后的變形工件殘余應力引起的變形（二）冷校直帶來的殘余應力。彎曲的工件（原來無殘余應力）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。當工件外層應力超過屈服強度，其內(nèi)層應力還未超過彈 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 里層的彈性恢復受到阻礙。結(jié)果上部外層產(chǎn)生殘余拉應力，上 部里層產(chǎn)生殘余壓應力；下部外層產(chǎn)生殘余壓應力，下部里層 產(chǎn)生殘余拉應力。冷校直后雖然

18、彎曲減小了，但內(nèi)部組織處于不穩(wěn)定狀態(tài)。工件殘余應力引起的變形工件殘余應力引起的變形na)c)圖6-22冷校直引起的殘余應力n -工件殘余應力引起的變形（三）切削加工帶來的殘余應力切削過程中產(chǎn)生的力和熱，被加工工件表面層產(chǎn)生殘余應力。工件殘余應力引起的變形減少殘余應力可采取的措施:1）增加消除內(nèi)應力的熱處理工序如：對焊接、鍛、鑄件進行退火或回火；零件淬火后進行回 火；對精度高的零件如床身、絲杠、箱體等進行實效處理。2 ）合理安排工藝過程如：粗.精加工分開在不同的工序中進行。3）改善零件結(jié)構(gòu),提高零件的鋼性，使壁厚均勻等。例題分析為什么機床部件的加載和卸載過程的靜剛度 曲線既不封閉又不重合，且機床部件的剛度值 遠比其按實體估計的要小得多？85例題分析剛度特性是曲線不是直線，說明變形不單純是彈性變形，卸載曲線回原點（不封閉）說明有剩余變形。加載.卸載過程中的變形都要消耗摩擦功，因此加載.卸載曲線 不重合，兩者所包圍的面積為消耗的摩擦功和塑性變形所消耗的能量。機床部件（如刀架）的剛度若按實體外形尺寸來估計一般是很大 的。實際上部件是由許多零件組成，部件受力后零件間首先要消除間 隙，然后零件結(jié)合面間要產(chǎn)生接觸變形，部件中間剛度最薄弱的零件 本身也產(chǎn)生較大的變形。以上三種變形都