机械加工理论知识

第一章机械加工精度及其控制工艺系统的受力、热变形对加工精度的影响13:3312一、基本概念1．弹性系统：切削加工时，由机床、刀具、夹具、工件组成的工艺系统是弹性系统。2．工艺系统总位移1）弹性变形：机械加工时，由于切削力、夹紧力以及重力、惯性力等的作用，工艺系统各部分产生的相应的变形。2）系统中各元件因其接触处的间隙还会产生位移、3）工艺系统总位移弹性变形+位移=总位移4）决定因素：外力的大小和弹性系统抵抗外力及其变形的能力33．刚度：物体抵抗欲使其变形的外力的能力4．工艺系统刚度：指工艺系统抵抗其变形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相对工件在该方向位移y的比值。yFyk4加工中影响加工精度最大的是刀刃在加工表面法线方向的位移。因此计算时必须考虑此方向上的切削力和位移。法向位移y除了Fy分力影响外，Fy、Fz也对它有影响。在K一定时，则Fy越大，则系统变形量越大。对加工精度影响越大。若工艺系统刚度很大，尽管切削力等外力作用，也能使系统位移减少到最低限度。5．加工误差：由于切削力等引起的工艺系统产生的弹性变形，使刀具和工件在静态下调整好的相互位置，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，从而造成加工误差。56、举例工件刚性差，在加工细长轴时出现中间粗，两头尖的情况（腰鼓形）如图所示：无进给磨削就车床加工刚性很好的工件，粗车后，再精车。有时不但不把刀横向进给，反而把它后退一点，才能保证精度要求6工艺系统刚度的计算式中y——工艺系统总变形；yjc——机床的受力变形；yjj——夹具的受力变形；yd——刀具的受力变形；yg——工件的受力变形。切削加工时，工艺系统的有关部件在各种外力的作用下，会产生不同程度的变形，使刀具和工件的相对位置发生变化，从而产生相应的加工误差。工艺系统在某处的法向总变形是各个组成环节在同一处的法向变形的迭加。(一)工艺系统总变形y=yjc+yjj+yd+yg（1）7(二)工艺系统刚度计算代入1式得工艺系统刚度与工艺系统各组成部分刚度之间的关系：11111jcjjdgkkkkk式中k——工艺系统刚度；kjc——机床刚度；kjj——夹具刚度；kd——刀具刚度；kg——工件刚度。由工艺系统的刚度定义可知，机床刚度kjc、夹具刚度kjj、刀具刚度kd和工件刚度kg分别为：kjc=Fy/yjc，kjj=Fy/yjj，kd=Fy/yd，kg=Fy/yg81）机床变形引起的加工误差三、工艺系统刚度对加工精度的影响1、切削力作用点位置变化引起工件形状误差ytjywz工艺系统变形随受力点变化规律FpAA′BB′CC′xLFAFByxΔx9机床的刚度是由各个部件的刚度决定的，其计算方法为：设工件短而粗，刚度很大，其变形可以忽略不计，安装在两顶尖之间，在切削力Fy的作用下，床头位置由A到A`，尾座由B到B`，刀架从C到C`，其位移量分别为：ytj，ywz，ydj，中心线从AB移到A`B`。径向切削力为Fy，由Fy引起的头架和尾座处的受力为FA和FB，刀架受力为Fy。在距离床头X处，工件轴线移动的距离为yx。tjwztjtjxyyLxyxyy10机床总的变形量：根据刚度定义，Ktj，Kwz，Kdj分别为头架、尾座和刀架的刚度，则：djtjwztjdjxjcyLxyyyyyytjAtjKFywzBwzKFydjYdjKFy112）工件变形引起的加工误差工件为悬臂梁时：EILFyyg33max3max3LEIyFKy加工后工件形状为：12工件为简支梁时：当x=0或x=L时，yg=0，变形最小当x=L/2时，变形最大，由于工件变形，使工件加工后成鼓形，如图所示EIlFYyg483max13式中yg——工件变形；E——工件材料弹性模量；I——工件截面惯性矩；Fy——工件受到的切削力x——受力点到支承点的距离L——工件的长度142、切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律切削加工中，由于毛坯本身的误差（形状或位置）使切削深度不断变化，从而引起切削力的变化，促使工艺系统产生相应的变形，因而工件表面上保留了与毛坯表面类似的形状和位置误差，但加工后残留的误差比毛坯误差从数值上大大减少了，这一现象称为“误差复映”15减少误差复映的方法K越大，复映系数越小进给量f减少时，可以减小C，则减小增加走刀次数减小毛坯误差值多次走刀总的的误差复映系数当加工分几次走刀时，每次的误差复映系数为：n,,2116应用推广每一工件毛坯形状误差，都以一定复映系数形成工件的加工误差，这是用于切削余量不均引起的。车削时，K很高时，‹‹1，n次走刀，加工误差下降很快，因此只在粗加工用来估算加工误差，当K低时，则从实际出发，来提高加工精度。尺寸分散。在大批分生产中，用调整法加工一批工件，如毛坯尺寸不一，则加工后工件仍有尺寸不一的误差。毛坯硬度不均匀，也会造成加工误差。当走刀次数一定时，如果一批毛坯材料的硬度差别很大，会使工件的尺寸分数范围扩大，甚至超差。173、夹紧力、重力、传动力和惯性力引起的加工误差◆夹紧力影响a）b）薄壁套夹紧变形【例1】薄壁套夹紧变形解决：加开口套18【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削解决：加橡皮垫1913:332013:332113:332213:3323【例】龙门铣横梁龙门铣横梁变形龙门铣横梁变形补偿◆重力影响解决：变形补偿2425◆传动力与惯性力影响理论上不会产生圆度误差（但会产生圆柱度误差）周期性的力易会引起强迫振动传动力对加工精度的影响zlRyYFpFcFcdFcdyφra）O′O″r0yYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O261、机床部件刚度测定四、机床部件的刚度静态测定法：在机床不工作状态，模拟车削时的受力的受力情况对机床施加静载荷，然后测出机床部件在不同载荷下的变形，作出各部件的刚度特性曲线并计算刚度。27下图是对一车床进行3次加载和卸载循环，绘制了他的刚度曲线。车床刀架变形曲线Δy（μm）10203040500123F（KN）28非线形关系，不完全是弹性变形加载和卸载曲线不重合，所围面积表示克服摩擦和接触塑性变形所作功存在残余变形，反复加载卸载后残余变形→0机床部件刚度比按实体估算值小许多，表明其变形受多种因素影响分析刚度曲线的特点：工作状态测定法29连接表面接触变形——其大小与接触面压强有关零件表面摩擦力的影响结合面间隙组成件的实体刚度——受力产生拉伸、压缩、弯曲变形；特别是薄弱件（楔条、轴套等）影响较大施力方向的影响，测试时只模拟Fy，实际上加工过程中，Fx，Fy，Fz同时作用。2、影响机床部件刚度因素30五、减小受力变形对加工精度影响措施合理的结构设计：设计工艺装备时，尽量减少连接面数目，注意刚度的匹配，防止局部低刚度环节出现，设计基础件、支承件时，合理设计零部件结构和截面形状。提高连接表面接触刚度提高机床部件中零件接合表面的接触质量给机床部件预加载荷提高工件定位基准的精度和降低表面粗糙度值。采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）1、提高工艺系统刚度31采用合理装夹和加工方式支座零件不同安装方法2、减小载荷及其变化32六、工件残余应力引起的变形1、内应力定义：外部作用力去除后工件内存留的应力特点：具有内应力的零件处于一种不稳定状态，它内部的组织有强烈的倾向要恢复到一个稳定的没有应力的状态，即使在常温下，零件也会不断的缓慢地进行这种变化，直到残余应力安全松弛为主，在这一过程中，零件将会翘曲变形，原有的加工精度会逐渐丧失。来源：冷、热加工。332、毛坯制造和热处理产生的残余应力原因：在铸、锻、焊、热处理等加工过程中，由于各部分冷热收缩不均匀，以及金相组织的体积变化，使毛坯内部产生相当大的残余应力。例1：下图表示一个内外壁厚相差较大的铸件，浇注后，冷却过程如下：壁A、C较薄，散热容易，冷却快。壁B冷却慢，当A、C从塑性状态冷却到弹性状态时，B还处于塑性状态，这时A、C收缩时B不起阻挡变形的作用，铸件内部不会产生内应力。34当B冷却到弹性状态时，A、C的温度已经降低很多，收缩速度很慢，但B收缩快，所以收到A、C的阻碍，壁B受拉应力，A、C受压应力，以保持平衡。在C上开一小口，C上压应力消失，在A、B内应力作用力，内应力重新分布，达到平衡，工件翘曲。35例2：机床床身铸件，为提高导轨面的耐磨性，采用局部激冷的工艺使他冷却更快一些，这样可以获得高的硬度，但铸件内应力更大，导轨表面经粗加工刨去一层，引起内应力重新分布，产生弯曲变形，新平衡过程需较长时间，导轨精加工后除去大部分变形，但内部还在变化，合格的导轨面丧失原有的精度。363、冷校直带来的残余应力冷校直方法：在细长轴原有变形的相反方向上加力F，使工件向相反方向弯曲，产生塑性变形，达到校直的目的细长轴弯曲原因，经轧制的材料存在内应力，经车削后，此内应力重新分布产生弯曲。冷校直方法F37冷校直后应力分析：压拉加载压压拉拉卸载冷校直引起的残余应力当F作用上应力分布如图轴心线一上产生压应力（—）轴心线以下产生拉应力（+）当F去除后，变形回复内外金属相互牵引、应力重新分布原压应力位置外层为拉应力，原拉应力位置外层为压应力解决办法：粗棒料多次车削及时效处理。采用热校直。38切削加工带来的残余应力4、减小残余应力措施“时效处理”设计合理零件结构，提高零件刚性，使壁厚均匀合理安排工艺过程粗、精加工分开避免冷校直39工艺系统的热变形对加工精度的影响1、加工中的热现象：一上班，空转机床坐标镗床在恒温室内磨床身导轨，走两刀休息一下冬天加工时，尺寸合格，夏天就装不进去。一、概述2、工艺系统的变形热变形：机械加工过程中，工艺系统会受到各种热的影响而产生温度变形，称为热变形。这种变形将破坏刀具与工件的正确几何关系和运动关系，造成工件的误差。40对加工精度的影响精密加工和大件加工中，热变形的加工误差占工件总加工误差的40%——70%。影响加工效率，为减少热变形，需要预热机床、降低切削用量，增加工序（粗、精分开）高精、高效、自动化加工时的热变形问题更加严重.413、工艺系统热源切削热：切削时所作的功几乎全部转变成热，其热量以传导的形式传递，对刀具和工件影响较大。摩擦热：机械零件的摩擦轴承、导轨的摩擦而产生的热，液压传功、电气传功等，都是热源，对机床影响较大，以传导形式传递。其它热：指工艺系统外部的，以对系统传热为主的环境温度和各种辐射热。42各种热对加工精度的影响切削热：切削加工中最主要的热源，它对工件加工精度的影响最为直接。在切削(磨削)过程中，消耗于切削层的弹、塑性变形能量及刀具、工件和切屑之间摩擦产生的机械能，绝大部分都转变成了切削热。切削热Q(J)的大小与被加工材料的性质、切削用量及刀具的几何参数等有关。通常可按下式计算Q=Fcvt工艺系统热源内部热源外部热源切削热摩擦热环境热源辐射热影响切削热传导的主要因素是工件、刀具、夹具、机床等材料的导热性能，以及周围介质的情况。车削时，切屑带走热量可达50%——80%，传给工件约30%，传给刀具约5%。铣削、刨削加工，传给工件30%钻削和卧镗，切屑留在孔中，传给工件大于50%磨削时，切屑带走热量4%，传导工件84%，工件表面温度高4313:3344摩擦热：主要是机床和液压系统中运动部件产生的，如电动机、轴承、齿轮、丝杠副、导轨副、离合器、液压泵、阀等各运动部分产生的摩擦热。使工艺系统局部发热，引起局部温升和变形，破坏系统原有的几何精度。外部热源：大型工件昼夜加工，由于温差引起工艺系统的热变形不一样，照明光、散热器、日光等也会引起机床的局部温度和变形。45温度场——工艺系统各部分温度分布温度场与热平衡研究——目前以实验研究为主热平衡——工艺系统在各种热源作用下，温度逐渐升高，同时它们也通过各种传热方式向周围散热，当工件、刀具和机床的温度达到某一数值时，单位时间内散发的热量