ch3-3 受力变形

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、机床部件刚度五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响的措施六、工件残余应力引起的变形一、基本概念产生原因：–切削加工时，由机床、刀具、夹具和工件组成的工艺系统，在切削力、夹紧力以及重力等的作用下，将产生相应的变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置、以及切削成形运动而需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。工艺系统受力变形通常是弹性变形–工艺系统抵抗弹性变形的能力越强，则加工精度越高。–工艺系统抵抗变形的能力用刚度k描述。定义指工件表面在切削力法向分力Fp的作用下，刀具相对工件在该方向上的位移y的比值。yFky工艺系统受力变形引起的加工误差二、工艺系统刚度计算工艺系统在某一处的法向总变形y是各个组成环节在同一处的法向变形的迭加：分别为机床受力变形。夹具变形、刀具变形、工件变形gdjjjcyyyyygdjjjcdygdydjjyjjjcyjckkkkkyFkyFkyFkyFk11111,,,已知工艺系统各组成环节的刚度，即可求得工艺系统的刚度二、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（二）切削力大小变化引起的加工误差（三）夹紧力和重力引起的加工误差（四）传动力和惯性力对加工精度影响（一）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差1、机床的变形2、工件的变形3、工艺系统的变形1、机床变形假定条件：–工件短而粗，车刀悬伸长度很短，工件和刀具的刚度很好，其受力变形比机床的变形小，可忽略不计。（单因素法）FA，Fy，FB之间的关系符合力矩平衡计算得：)(]1)(1)(1[22xykLxkLxLkFyjcdjwztjyjc计算结果说明机床的总变形是随着切削力作用点（x）的变化的在x＝0和x＝L的情况下，工件变形较大在时，机床变形最小变形大的地方，从工件上切去的金属层薄，变形小的地方，切除的金属层厚所以，机床受力变形而使得加工出来的工件呈两端粗，中间细的马鞍型。Lkkkxwztjwz)(工件加工结果2、工件变形在两顶尖装夹刚性差的细长轴，假设不考虑机床刀具变形，即可由公式得出：当x＝0或x＝L时，变形最小，为0当x＝L/2时，工件刚度最小，变形最大加工结果：工件呈鼓形LxxLEIFyyg22)(33、工艺系统总变形工艺系统的总变形为机床和工件的变形的叠加（车光轴的例子中，车刀变形忽略）测得车床主轴箱、尾架、刀架三个部件的刚度，以及确定了工件的材料和尺寸，就可以按x值，估算工艺系统的刚度，若可得知切削力Fy，利用公式就可以估算出不同x处工件半径的变化。（二）切削力大小变化引起的加工误差假设条件：–车床加工短轴，工艺系统的刚度变化不大，（近似常量）–毛坯形状误差较大或者材料硬度很不均匀，工件加工时切削力的大小就会有较大的变化，从而引起工件的加工误差“误差复映”现象“误差复映”分析1假设车削一椭圆形横截面毛坯，毛坯材料的硬度均匀加工时，工件转一转中，刀具背吃刀量随着毛坯的椭圆截面而发生变化，相应的变形也发生变化当车削有圆度误差（相当于椭圆）Δm的毛坯时，由于工艺系统的受力变形的变化使得工件上产生相应的圆度误差Δg，这种现象就称为“复映误差”“误差复映”分析2设工艺系统的刚度为k，则工件的圆度误差由于切削分力Fy为：（C为一常量）得：Ε为误差复映系数)(12121yygFFkyypyCaFmmppgkCaakC)(21“误差复映”分析结论1、21、增加走刀次数可大大减小工件的复映误差2、当工件毛坯有形状误差（如圆度、圆柱度、直线度等）或者相互位置误差（如偏心、径向跳动等）时，加工后仍然会有同类的加工误差出现。在成批大量生产中用调整法加工一批工件时，如毛坯尺寸不一，则加工后，这批工件仍有尺寸不一的误差2121211总mgmg“误差复映”分析结论33、毛坯硬度不均匀，同样会造成加工误差4、在采用调整法成批生产情况下，控制毛坯材料硬度的均匀性是重要。应为加工过程中走刀次数通常已定，如果一批毛坯材料的硬度差别很大，就会使得工件的尺寸分散范围扩大，甚至超差。（三）夹紧力和重力引起的加工误差1（三）夹紧力和重力引起的加工误差2（三）夹紧力和重力引起的加工误差3（三）夹紧力和重力引起的加工误差4机床部件自重引起的误差（三）夹紧力和重力引起的加工误差5大型工件的加工，工件自重引起的变形有时成为产生加工形状误差的主要原因。实际生产中，恰当的布置支承可以减小自重引起的变形。（四）传动力和惯性对加工精度影响1、传动力的影响2、惯性力的影响1、传动力的影响图2-37单爪拨盘传动下工件的受力与变形。2、惯性力的影响原因分析：–高速切削时，有不平衡的高速旋转的构件，产生离心力，在工件的每一转中不断变更方向，引起工件几何轴线作摆角运动，理论上不会产生工件圆度的误差不平衡时：–当不平衡质量的离心力大于切削力时，车床主轴轴颈和轴套内孔表面的接触点不停变化，轴套孔的圆度误差将会传递给工件的回转轴心–周期变化的惯性力会引起工艺系统的强迫振动解决方案：–“对重平衡”，如加配重四、机床部件刚度（一）机床部件刚度测定–1、静态测定法机床不工作状态下，模拟切削时受力情况，对机床施加静载荷，测出机床各部件在不同静载荷下的变形，就可以作出各部件的刚度特性曲线并计算出刚度–2、工作状态测定法依据误差复映规律，进行计算车床刀架部件刚度实测曲线说明1、变形与作用力不是线性关系，反映刀架变形不纯粹是弹性变形2、加载与卸载曲线不重合，说明有能量损失——克服部件内零件件摩擦和接触塑性变形所做的功3、卸载后曲线不回到原点，说明有残留变形，反复加载，残留变形逐渐接近于04、部件的实际刚度远小于估算刚度（二）影响机床部件刚度的因素1、连接表面间的接触变形–零件间接合表面的实际接触面积只是理论接触面的一部分，实际接触的只是一小部分的凸峰。–当外力作用时，这些接触点处将产生较大的接触应力，并产生变形（弹性和塑性）。这就是部件刚度曲线不是直线，刚度远小于同尺寸实体的刚度，是造成残留变形和多次加载－卸载后残留变形才趋于稳定的原因2、零件间摩擦力的影响–造成加载－卸载曲线不重合3、接合面的间隙4、薄弱零件本身变形四、机床部件刚度五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响的措施（一）提高工艺系统的刚度1、合理的结构设计尽量减少连接面的数目，注意刚度的匹配。采用：空心截形、封闭截形、添加加强肋2、提高连接表面的接触刚度提高机床部件接合面以及工件定位基准面的精度和表面质量、给机床预加载荷，增加实际接触面积3、采用合理的装夹和加工方法（图例）（二）减小载荷以及变化–适当的工艺措施：选择合理的刀具几何参数和切削用量，以减小切削力，就可以减少受力变形–毛坯分组，使得一次调整中加工的毛坯余量比较均匀，就能减小切削力的变化，减小复映误差六、工件残余应力引起的变形1、概念–也称内应力，指在没有外力作用下或除去外力后工件内存留下来的应力–特点：不稳定，内部力求恢复到一个稳定的没有应力的状态，导致工件变形，精度丧失2、毛坯制造和热处理过程中产生的残余应力（图例）3、冷校直带来的残余应力（图例）4、切削加工带来的残余应力–措施：增加消除内应力的热处理工序、合理安排工艺过程、改善零件结构，提高零件刚度，壁厚均匀冷校直引起的残余应力a、冷校直b、加载时的应力分布c、卸载后的残余应力分布