機械制造工藝學(xué)課件第12講

1、（一）基本概念 1彈性系統(tǒng)： 切削加工時，由機床、刀具、夾具、工件組成的工藝系統(tǒng)是彈性系統(tǒng)。2工藝系統(tǒng)總位移 1）彈性變形： 機械加工時，由于切削力、夾緊力以及重力、慣性力等的作用，工藝系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的相應(yīng)的變形。一、工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響及其控制一、工藝系統(tǒng)受力變形對加工精度的影響及其控制2）系統(tǒng)中各元件因其接觸處的間隙還會產(chǎn)生位移、3）工藝系統(tǒng)總位移 彈性變形+位移=總位移4）決定因素： 外力的大小和彈性系統(tǒng)抵抗外力及其變形的能力3剛度： 物體抵抗欲使其變形的外力的能力4工藝系統(tǒng)剛度： 指工藝系統(tǒng)抵抗其變形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相對工件在

2、該方向位移y的比值。 yFyk 加工中影響加工精度最大的是刀刃在加工表面法線方向的位移。因此計算時必須考慮此方向上的切削力和位移。法向位移y除了Fy分力影響外，F(xiàn)X X、Fz也對它有影響。在K一定時，F(xiàn)y越大，則系統(tǒng)變形量越大。對加工精度影響越大。 若工藝系統(tǒng)剛度很大，盡管受切削力等外力作用，也能使系統(tǒng)位移減小到最低限度。5加工誤差： 由于切削力等引起的工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的彈性變形，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，從而造成加工誤差。 6、舉例軸類件剛性差，在加工細(xì)長軸時出現(xiàn)中間粗，兩頭尖的情況（腰鼓形）如圖所示：無進給磨削（二）工藝系統(tǒng)剛度的計算（

3、二）工藝系統(tǒng)剛度的計算 式中 y 工藝系統(tǒng)總變形； yjc 機床的受力變形； yjj 夾具的受力變形； yd 刀具的受力變形； yg 工件的受力變形。 切削加工時，工藝系統(tǒng)的有關(guān)部件在各種外力的作用下，會產(chǎn)生不同程度的變形，使刀具和工件的相對位置發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的加工誤差。 工藝系統(tǒng)在某處的法向總變形是各個組成環(huán)節(jié)在同一處的法向變形的迭加。1、工藝系統(tǒng)總變形 y= yjc + yjj +yd +yg （1）2、工藝系統(tǒng)剛度計算 代入1式得工藝系統(tǒng)剛度與工藝系統(tǒng)各組成部分剛度之間的關(guān)系：11111jcjjdgkkkkk式中 k 工藝系統(tǒng)剛度； kjc 機床剛度； kjj 夾具剛度； kd

4、刀具剛度； kg 工件剛度。 由工藝系統(tǒng)的剛度定義可知，機床剛度kjc 、夾具剛度kjj 、刀具剛度kd和工件剛度kg分別為： kjc =Fy/ yjc ， kjj = Fy/ yjj ， kd = Fy/ yd ， kg = Fy/ yg 1） 機床變形引起的加工誤差（三） 工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響 1、切削力作用點位置變化引起工件形狀誤差ydjytjywz工藝系統(tǒng)變形隨受力點變化規(guī)律FpAABBCCxLFAFByxx機床的剛度是由各個部件的剛度決定的，其計算方法為： 設(shè)工件短而粗，剛度很大，其變形可以忽略不計，安裝在兩頂尖之間，在切削力Fy的作用下，床頭位置由A到A，尾座由B到B，刀架

5、從C到C，其位移量分別為：ytj，ywz，ydj，中心線從AB移到AB。 徑向切削力為Fy，由Fy引起的頭架和尾座處的受力為FA和FB，刀架受力為Fy。 在距離床頭X處，工件軸線移動的距離為yx。tjwztjtjxyyLxyxyy機床總的變形量： 根據(jù)剛度定義，Ktj，Kwz，Kdj分別為頭架、尾座和刀架的剛度，則：djtjwztjdjxjcyLxyyyyyytjAtjKFy wzBwzKFydjYdjKFy其中：LxLFFYALxFFYBdjwztjYjcKLxKLxLKFy1.1122 由上式看出，隨著切削力作用點的變化，工藝系統(tǒng)的變形是變化的，這是由于工藝系統(tǒng)的剛度隨著切削力作用點變化而

6、變化djwztjjcyjcKLxKLxLKyFK111122當(dāng)x=0時，djtjyjcKKFy11當(dāng)x=L時，max11yKKFydjtjyjc當(dāng)x=L/2時，wzdjtjyjcKKKFy41141LKKKxwztjwz當(dāng) 時，djwztjyinjcKKKFyy11,工件加工后成鞍形1、機床不變形、機床不變形的情況2、考慮主軸箱、尾座變形、考慮主軸箱、尾座變形情況3、考慮刀架變形、考慮刀架變形在內(nèi)機床受力變形引起的加工誤差1232） 工件變形引起的加工誤差工件為懸臂梁時工件為懸臂梁時：EILFyyg33max3max3LEIyFKy加工后工件形狀為加工后工件形狀為：14工件為簡支梁時：當(dāng)x=0

7、或x=L時，yg=0，變形最小當(dāng)x=L/2時，變形最大，EIlFYyg483max式中 yg 工件變形； E 工件材料彈性模量； I 工件截面慣性矩； Fy工件受到的切削力 x 受力點到支承點的距離 L工件的長度2、切削力大小變化引起的加工誤差 誤差復(fù)映規(guī)律 切削加工中，由于毛坯本身的誤差（形狀或位置）使切削深度不斷變化，從而引起切削力的變化，促使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，因而工件表面上保留了與毛坯表面類似的形狀和位置誤差，但加工后殘留的誤差比毛坯誤差從數(shù)值上大大減少了，這一現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”。v減小誤差復(fù)映的方法減小誤差復(fù)映的方法1 1）增大工藝系統(tǒng)剛度；）增大工藝系統(tǒng)剛度；2 2）減少進給

8、量）減少進給量f f，減小切削力；，減小切削力；3 3）增加走刀次數(shù)；）增加走刀次數(shù)；4 4）減小毛坯誤差值。）減小毛坯誤差值。3、夾緊力、重力、傳動力和慣性力引起的加工誤差夾緊力影響a） b）薄壁套夾緊變形【例1】薄壁套夾緊變形 解決：加開口套【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削 解決：加橡皮墊【例】龍門銑橫梁龍門銑橫梁變形龍門銑橫梁變形補償重力影響解決：變形補償（四）減小受力變形對加工精度影響的措施1）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計： 設(shè)計工藝裝備時，盡量減少連接面數(shù)目，注意剛度的匹配，防止局部低剛度環(huán)節(jié)出現(xiàn)，設(shè)計基礎(chǔ)件、支承件時，合理設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀。 2）提高連接表面接觸剛度 提高機床部件中零件接

9、合表面的接觸質(zhì)量 給機床部件預(yù)加載荷 提高工件定位基準(zhǔn)的精度和降低表面粗糙度值。3）采用輔助支承（中心架，跟刀架，鏜桿支承等）4）采用合理裝夾和加工方式支座零件不同安裝方法（五）工件殘余應(yīng)力引起的變形1、內(nèi)應(yīng)力定義： 外部作用力去除后工件內(nèi)存留的應(yīng)力。特點： 具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，它內(nèi)部的組織有強烈的傾向要恢復(fù)到一個穩(wěn)定的沒有應(yīng)力的狀態(tài)，即使在常溫下，零件也會不斷的緩慢地進行這種變化，直到殘余應(yīng)力安全松弛為止，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。2、毛坯制造和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力原因： 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

10、的體積變化，使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。例1： 下圖表示一個內(nèi)外壁厚相差較大的鑄件，澆注后，冷卻過程如下： 壁A、C較薄，散熱容易，冷卻快。壁B冷卻慢，當(dāng)A、C從塑性狀態(tài)冷卻到彈性狀態(tài)時，B還處于塑性狀態(tài)，這時A、C收縮時B不起阻擋變形的作用，鑄件內(nèi)部不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。 當(dāng)B冷卻到彈性狀態(tài)時，A、C的溫度已經(jīng)降低很多，收縮速度很慢，但B收縮快，所以受到A、C的阻礙，壁B受拉應(yīng)力，A、C受壓應(yīng)力，以保持平衡。 在C上開一小口，C上壓應(yīng)力消失，在A、B內(nèi)應(yīng)力作用力，內(nèi)應(yīng)力重新分布，達到平衡，工件翹曲。例2： 機床床身鑄件，為提高導(dǎo)軌面的耐磨性，采用局部激冷的工藝使他冷卻更快一些，這樣可以獲得高的

11、硬度，但鑄件內(nèi)應(yīng)力更大，導(dǎo)軌表面 經(jīng)粗加工刨去一層，引起內(nèi)應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生彎曲變形，新平衡過程需較長時間，導(dǎo)軌精加工后除去大部分變形，但內(nèi)部還在變化，合格的導(dǎo)軌面喪失原有的精度。3、切削加工帶來的殘余應(yīng)力 減小殘余應(yīng)力的措施減小殘余應(yīng)力的措施v 設(shè)計合理零件結(jié)構(gòu)，提高零件剛性，使壁厚均勻。v 合理安排工藝過程，粗、精加工分開。v 時效處理。二、工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響及其控制二、工藝系統(tǒng)熱變形對加工精度的影響及其控制1、加工中的熱現(xiàn)象：v 一上班，空轉(zhuǎn)機床v 坐標(biāo)鏜床在恒溫室內(nèi)v 磨床身導(dǎo)軌，走兩刀休息一下v 冬天加工時，尺寸合格，夏天就裝不進去。 （一）概述2、工藝系統(tǒng)的變形 v熱變

12、形： 機械加工過程中，工藝系統(tǒng)會受到各種熱的影響而產(chǎn)生溫度變形，稱為熱變形。這種變形將破壞刀具與工件的正確幾何關(guān)系和運動關(guān)系，造成工件的誤差。3、工藝系統(tǒng)熱源v切削熱： 切削時所作的功幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱，其熱量以傳導(dǎo)的形式傳遞，對刀具和工件影響較大。v摩擦熱： 機械零件的軸承、導(dǎo)軌的摩擦而產(chǎn)生的熱，液壓傳功、電氣傳功等，都是熱源，對機床影響較大，以傳導(dǎo)形式傳遞。v其它熱： 指工藝系統(tǒng)外部的，以對系統(tǒng)傳熱為主的環(huán)境溫度和各種輻射熱。 v各種熱對加工精度的影響 切削熱： 車削時，切屑帶走熱量可達50%80%，傳給工件約30%，傳給刀具約5%。 銑削、刨削加工，傳給工件30% 鉆削和臥鏜，切屑留在孔中

13、，傳給工件大于50% 磨削時，切屑帶走熱量4%，傳導(dǎo)工件84%，工件表面溫度高工藝系統(tǒng)熱源內(nèi)部熱源外部熱源切削熱摩擦熱環(huán)境熱源輻射熱摩擦熱： 使工藝系統(tǒng)局部發(fā)熱，引起局部溫升和變形，破壞系統(tǒng)原有的幾何精度。外部熱源： 大型工件晝夜加工，由于溫差引起工藝系統(tǒng)的熱變形不一樣，照明光、散熱器、日光等也會引起機床的局部溫度和變形。v 溫度場工藝系統(tǒng)各部分溫度分布。v溫度場與熱平衡研究目前以實驗研究為主。v熱平衡工藝系統(tǒng)在各種熱源作用下，溫度逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍散熱，當(dāng)工件、刀具和機床的溫度達到某一數(shù)值時，單位時間內(nèi)散發(fā)的熱量和熱源傳遞的熱量趨于相等，這時工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(tài)

14、。 在熱平衡狀態(tài)下，工藝系統(tǒng)的各部分的溫度保持在一相對穩(wěn)定的數(shù)值上，各部分的熱變形也相應(yīng)趨于穩(wěn)定。4、溫度場與工藝系統(tǒng)熱平衡（二）工件熱變形對加工精度的影響1、熱源： 切削熱2、工件均勻受熱 應(yīng)用條件： 形狀簡單的軸類，套類，盤類等零件的內(nèi)外圓加工時，切削熱較均勻的傳入工件，若不考慮溫升后的散熱，其溫度給工件全長和圓周的分布比較均勻，可近似看作均勻受熱。熱變形的大小LLtDDt圓柱類工件熱變形式中 L， D 長度和直徑熱變形量； L，D 工件原有長度和直徑； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。應(yīng)用車削較長的軸時，會產(chǎn)生圓度誤差，加工精度較高的軸類零件時，采用彈性或液壓尾頂尖。tDRl2max53

15、1.1 1040014.410()4.4()LLtmmm 5級絲杠累積誤差全長5m，可見熱變形的嚴(yán)重性3 3、工件不均勻受熱、工件不均勻受熱應(yīng)用條件： 銑、刨、磨平面時，工件單面受熱作用，上下表面間的溫差，將導(dǎo)致工件向上拱起，加工時，中間凸起被切去，冷卻后工件下凹。熱變形的大小式中 X 變形撓度； L，S 工件原有長度和厚度； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。28LtXS平面加工熱變形x/ 4LS結(jié)果結(jié)果：加工時上表面升溫，工件向上拱起，磨削時將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。例例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3，則變形量為：221.120003886000.022 ()L

16、tXSmm此值已大于精密導(dǎo)軌平直度要求解決措施 切削液充分冷卻 高速切削、使傳入工件熱量減少 在精加工前充分冷卻 刀具不要過分磨鈍 在夾緊狀態(tài)下，有伸縮的自由（三）機床熱變形對加工精度影響1、熱源： 內(nèi)外熱源有影響（其中摩擦熱影響很大），且由于各部件的熱源不同，分布不均勻，以及機床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此不僅各部件的溫升不同，而且同一部件不同位置的溫升也不相同。使機床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機床原有的幾何精度而造成加工誤差。2、機床的熱平衡狀態(tài)： 機床運轉(zhuǎn)一段時間后，各部件傳入的熱量和散失的熱量基本相等，即達到熱平衡狀態(tài)，變形趨于穩(wěn)定。在機床達到熱平衡之前，機床幾何精度變化不定，對加工精

17、度的影響也變化不定。3、機床的溫升： 機床各部件由于體積較大，熱量大，因此其溫升一般不大。 車床主軸箱60 磨床1525 車床床身與主軸箱結(jié)合處20 磨床床身10 其他精密機床部件溫升較低4、熱平衡時間 車床、磨床 46h 中小型精密機床12h 大型精密機床 12h 5、各種機床的熱變形及其對加工精度的影響車、銑 、鉆、鏜類機床： 主軸箱中的齒輪，軸承磨擦發(fā)熱，潤滑油發(fā)熱是主要熱源，使主軸箱及與之相連部分如床身或立柱的溫度升高而產(chǎn)生較大變形。車床受熱變形a） 車床受熱變形形態(tài)運轉(zhuǎn)時間 / h0 1 2 3 4501 501 002 00位移 /m20406080溫升 / Yy前軸承溫升b） 溫升與變形曲線 車床主軸發(fā)熱使主軸箱在垂直面向內(nèi)和水平向內(nèi)發(fā)生偏移和傾斜。在垂直向內(nèi)，主軸箱的溫升使主軸升高，又因主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量，主軸前端比后端高，由于主軸箱熱量傳給床身，床身導(dǎo)軌向上臺起，故而加劇了主軸的傾斜。龍門刨床、導(dǎo)軌磨床等機床 床身熱變形是影響加工精度的主要因素：因其床身較長、導(dǎo)軌稍有溫差，就會產(chǎn)生較大的彎曲變形。 床身上下表面產(chǎn)生溫差的原因，不僅是由于工作臺運動時導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱所知，環(huán)境溫度的影響也很大。導(dǎo)軌磨床受熱變形立銑床受熱變形形態(tài)立式平面磨床： 主軸承和主電機的發(fā)熱傳到立柱，使立柱內(nèi)側(cè)溫度高于外側(cè)，因而引起立柱的彎曲變形。 （四）