06第六讲工艺系统刚度

1、机械制造工艺过程第六讲刚度的概念本次课程目标1刚度的概念、工艺系统刚度的计算 2工艺系统刚度对加工精度的影响(1) 切削力作用点位置(机床的变形、工件的变形)(2) 切削力大小(3) 夹紧力和重力(4) 传动力和惯性力3机床部件刚度4相关措施5工件残余应力刚度的概念切削加工时，工艺系统在切削力.加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，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发 生变化，而造成加工误差。例如车削细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形， 使加工出的轴出现中间粗两头细的情况。刚度的概念刚度的概念a)b)3-28t艺杀统哽丿J变狼引起的011

2、匚®用在内圆磨床上以横向切入法磨孔时，由于内圆磨头主轴弯曲变形，磨出的孔会出现圆柱度误差。刚度的概念（一）工艺系统的静刚度定义：k =注意工件和刀具在 y方向产生的相对位移 八不只是作用的结果，而是 Fx. F .匕同时 作用的综合结果#工艺系统刚度对加工精度的影响#工艺系统刚度对加工精度的影响各部分刚度：#工艺系统刚度对加工精度的影响11工艺系统刚度对加工精度的影响代入上式得：liiii=111k U k. kd kg（一）切削力作用点位置变化引起工件的形状误差1、机床的变形（在两顶尖间车削短而粗的光轴）刚度受力变形头架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系统KFyyjc =儿 + ydjyjc= 5 +； + m#工艺系统刚度对加工精度的影响13工艺系统刚度对加工精度的影响=ytj +（，樫 _）t+ 乎也1 J#工艺系统刚度对加工精度的影响15工艺系统刚度对加工精度的影响结论：随着切削力作用点位置的变化,工艺系统的变形是变化的。当兀=0时，Jyc当x=L时，当x=L/2时,当兀=/KWZ1 1Fk a k .、11FkJ wzy jo =儿“n= Fydj丿1F4kH 4k1 1Fwz k djI时，机床变形最小:F J+心 kdj >加工出来的工件呈两端

4、粗、中间细的鞍形。图匸件在顶尖上 车削后的形状1 一机床平变形的理想情况2 占虑1 轴箱、I d W变形的W况3包括考虑刀架变形在内的1W况10例题分析在车床的两顶尖间加工短而粗的光轴外圆时（工件的刚度相 对于机床刚度大得多），若已知Fy=100N, Kt j=100000N/mm, Kwz=50000N/mm,试求由于机床刚度不均匀引起的加工表面的形状误差为多少?参考答案#3参考答案F f解：机床的变形：“式+疋求儿c的极值令儿= 0，则V7,2F”2Fy（L-x）2V =“ K L2 KtiL7HZ（Jx （乙工）A=o；解得 x5000 LL5000 + 100003，所以+时，儿取得最

5、小值:193参考答案参考答案在尾座处，刚度最小夕 儿最大。F F亠亠；加工后，轴的形状误差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# 工件的变形（车削细长轴）图:车削细长轴时工件的变形F（乙x）2 x23EI23 工件的变形（车削细长轴）# 工件的变形（车削细长轴）不考虑机床和刀具的变形,由材料力学# 工件的变形（车削细长轴）公式计算工件在切削点的变形量;Fy (L - x)2x2y g '3EI

6、 L当兀=0或兀=E时，y = 0;O当X = LI2时夕工件刚度最小夕变 形最大:# 工件的变形（车削细长轴）# 工件的变形（车削细长轴）y max因此，加工后的工件呈鼓形。工艺系统的总变形工艺系统的总变形V =儿C +儿工艺系统的刚度Kdj 3 EIL工艺系统的总变形工艺系统的总变形J）27工艺系统的总变形图6-18工艺系统受力变形随总切削力作用点位置变化的几个例子仃切削力大小变化引起的加工误差a pi车削时的误差复映误差复映误差复映:的变化而使工件产生相应的圆度误差,匕则工件的圆度误差由于工艺系统受力变形 这种现象叫做“误差复 如果工艺系统的刚度为29误差复映#误差复映(321)#误差复

7、映由切削原理可知x P yn PFy=CF apy f (HB ) v式中 CF 一一与刀具几何参数及 切削条件有关的参数;a p 背吃刀量；f一 一进给量；HB 一一工件材料硬度；xF > yE、nF - -指数。yy#误差复映在工件材料硬度均匀，刀具、切削条件和进给量一定的情况下，CF广'(HB)% =(7为常数。在车削加工中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：£= /称为误差复映系数。19 Ag =叫 <

8、 A（定量反映毛坯误差经加工后所减小的程度减小C或增大&都能是£减小。误差复映误差复映1）减小/ 减小C £减小。2）增大k -减小 丁 -通过增大./提高效率。3）增加走刀次数可大大减小工件的复映误差。设歹、6、勺分别为第一次、第二次、第三次走刀误差复映误差复映时的误差复映系数，贝!I1八误差复映误差复映远小于则总的误差复映系数误差复映多次走刀可提高加工精度，但也意味着生产率2確低#夹紧力和重力引起的加工误差且)b)c)图6-19喬筒夹紧变形误差35夹紧力和重力引起的加工误差#夹紧力和重力引起的加工误差W7/77/AX/Af)#夹紧力和重力引起的加工误差37夹紧力

9、和重力引起的加工误差® 3-33薄片匚件的皤削a) E坯翘曲Q吸盘吸緊c磨厉松片匚件翘曲0磨削凸面 Q解谢卩倾i D酬后松开1：件平貢a.；图3-34存力点不半引起的加J WX：#夹紧力和重力引起的加工误差39夹紧力和重力引起的加工误差b)#夹紧力和重力引起的加工误差#夹紧力和重力引起的加工误差图6创机床部件自重所引起的误差#夹紧力和重力引起的加工误差图3-36 工件门讹所造成的渓建1传动力影响（见下页图）整个工件在空间作圆锥运动:固定的后顶尖为其锥角顶点，前顶尖带着工件在工件画出 一个圆和主轴圆锥摆动一样，正圆柱，并不产生加工误差。27图3 37 单爪拨盘传动卜工件的受力与变形八i

10、rz 丿.tn ii x. I « I v- xz. i- wa r r r . - e/r 厂2惯性力的影响高速切削 不平衡的高速旋转构件离心力存在-轴线作圆锥摆动- -理论上无圆柱误差，但是，离心力大于切削力轴径和轴套内孔的接触点 不停变化- -轴套孔圆度误差传给工件的回转轴心。周期性的惯性力还常常引起工艺系统的强迫振动。解决办法：对重平衡#机床部件刚度（一）机床静刚度的测定:车床刀架的静刚度特性曲线1静态测定法2.工作状态测定法47机床部件刚度#机床部件刚度300020001000J-77 /A/1020304050y/ U m图 6-13一次加载车床刀架的静刚度特性曲线二次加

11、载三決加载1变形与作用力不是线性关系;刀架变形不纯粹是弹性变形2加载与御载曲线不重合；有能量损失，克服摩擦和接触变形所作的功3御载后曲线不回到原点;有残留变形4部件的实际刚度远比按实体所估算的小。工作状态测定法图3-39 车床刚度的匚作状态测定法依据：误差复映规律，左二中、右台阶处的误差复映系数依据：误差复映规律，左二中、右台阶处的误差复映系数“知 - h126 =几_比2-h223132三处系统的刚度分别为解方程组：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影响部件刚度的主要因素1、连接表

12、面间的接触变形2、薄弱零件本身的变形3、摩擦力的影响4、接合面的间隙59影响部件刚度的主要因素表而粗糙度。且真正处于,并产生接触1连接表而间的接触变形零件表面间存在：宏观几何形状误差和微观的实际接触面积只是理论接触面积的一部分，并接触状态的，只是这一部分的一些凸峰。外力作用时，在接触点将产生较大的接触应力变形（表而层弹性变形 ，局部塑性变形）以上是部件刚度曲线不呈直线，以及刚度远比同尺寸实体的刚度要低的原因。影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素1连接表而间的接触变形接触刚度：名义压强的增量dp与接触变形增量心之比。接触变形与接触表而的结论：连接表而的接触并受接触表而材料、硕以及表而儿何

13、形状误差名义压强有如下关系:my = cp(5) 代入上式得：k.=丄cm刚度将随法向载荷的增度、表而粗糙度、表而等因素的影响。(加、c为系数)加而增人，纹理方向，36影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素2、薄弱零件本身的变形影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素a)b)影响部件刚度的主要因素图6-14 部件中的薄弱环节#影响部件刚度的主要因素3 .摩擦力的影响机床部件受力变形- -零件间连接表面发生错动- -加载时摩擦力阻碍变形的发生- -御载 时摩擦力阻碍变形的恢复- -造成加载御载刚度 曲线不重合。65影响部件刚度的主要因素4 .接合面的间隙部件中各零

14、件间如果有间隙- -受到较小的力（克服摩擦力）就会使零件相互错动- -表现为刚度很低。间隙消除后- -相应表面接触- -开始有接触变形和弹 性变形- -表现为刚度很大。单项载荷，第一次加载消除间隙后对加工精度的影响较小； 动作载荷不断改变方向（钱.铳），间隙的影响大。#减小工艺系统受力变形的措施（一）提高工艺系统的刚度（二）减小载荷及其变化69减小工艺系统受力变形的措施(一) 提高工艺系统的刚度1合理的结构设计2提高连接表面的接触刚度(1)提高机床部件中零件间接合表面的质量(2 )给机床部件以预加载荷 (3 )提高工件定位基准面的精度和减小表面粗糙度值3采用合理的装夹和加工方式42图6-23铳

15、角铁形零件的两种装夹方法 a）装夹刚性差 b）装夹刚性好#减小工艺系统受力变形的措施（二）减小载荷及其变化合理选择刀具几何参数、切削用量以减小切 削力，减少受力变形。毛坯分组，一次调整中加工的毛坯余量比较 均匀，较小切削力的变化，减小复映误差。71工件残余应力引起的变形残余应力也称内应力，是指在没有外力作用下或除去外力后工件内存留的应力。具有残余应力的零件处于一种不稳定的状态。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，零件也会不断地缓慢地进行这种变化，直到 残余应力完全松弛为止。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。残余应力是由于金属内部相邻

16、组织发生不均匀的体积变化 而产生的，促成这种变化的主要因素来自冷.热加工。（一）毛坯制造和热处理过程产生的残余应力。（二）冷校直带来的残余应力。（三）切削加工带来的残余应力73工件残余应力引起的变形（一）毛坯制造和热处理过程产生的残余应力。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转变的体积变化，是毛坯内部产生了相 当大的残余应力，毛坯的结构愈复杂，各部分的厚度愈不均匀， 散热的条件相差愈大，则在毛坯内部产生的残余应力也愈大。具有残余应力的毛坯由于残余应力暂时处于相对平衡的状 态，在短时间内还看不出什么变化。当加工时某些表面被切去 一层金属后，就打破了这种平衡，残

17、余应力将重新分布，零件 就明显地出现了变形。#工件残余应力引起的变形#工件残余应力引起的变形图铸件残余应力的赅成及变形工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形a)b)06-21床身铸件的残余应力及加工后的变形工件残余应力引起的变形（二）冷校直带来的残余应力。弯曲的工件（原来无残余应力）要校直，必须使工件产生 反向弯曲，并使工件产生一定的塑性变形。当工件外层应力超过屈服强度，其内层应力还未超过弹 性极限。去除外力后，由于下部外层已产生拉伸的塑性变形，故 里层的弹性恢复受到阻碍。结果上部外层产生残余拉应力，上 部里层产生残余压应力；下部外层产生残余压应力，下部里层 产生残余拉应力。冷校直后虽然

18、弯曲减小了，但内部组织处于不稳定状态。工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形na)c)图6-22冷校直引起的残余应力n -工件残余应力引起的变形（三）切削加工带来的残余应力切削过程中产生的力和热，被加工工件表面层产生残余应力。工件残余应力引起的变形减少残余应力可采取的措施:1）增加消除内应力的热处理工序如：对焊接、锻、铸件进行退火或回火；零件淬火后进行回 火；对精度高的零件如床身、丝杠、箱体等进行实效处理。2 ）合理安排工艺过程如：粗.精加工分开在不同的工序中进行。3）改善零件结构,提高零件的钢性，使壁厚均匀等。例题分析为什么机床部件的加载和卸载过程的静刚度 曲线既不封闭又不重合，且机床部件的刚度值 远比其按实体估计的要小得多？85例题分析刚度特性是曲线不是直线，说明变形不单纯是弹性变形，卸载曲线回原点（不封闭）说明有剩余变形。加载.卸载过程中的变形都要消耗摩擦功，因此加载.卸载曲线 不重合，两者所包围的面积为消耗的摩擦功和塑性变形所消耗的能量。机床部件（如刀架）的刚度若按实体外形尺寸来估计一般是很大 的。实际上部件是由许多零件组成，部件受力后零件间首先要消除间 隙，然后零件结合面间要产生接触变形，部件中间刚度最薄弱的零件 本身也产生较大的变形。以上三种变形都