机械制造工艺学课件第12讲

1、（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。一、工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制一、工艺系统受力变形对加工精度的影响及其控制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3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

2、该方向位移y的比值。 yFyk 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，FX X、Fz也对它有影响。在K一定时，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，尽管受切削力等外力作用，也能使系统位移减小到最低限度。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。 6、举例轴类件刚性差，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（二）工艺系统刚度的计算（

3、二）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。1、工艺系统总变形 y= yjc + yjj +yd +yg （1）2、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

4、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/ yg 1） 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ydjytjywz工艺系统变形随受力点变化规律FpAABBCCxLFAFByxx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

5、从C到C，其位移量分别为：ytj，ywz，ydj，中心线从AB移到AB。 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：djtjwztjdjxjcyLxyyyyyytjAtjKFy wzBwzKFydjYdjKFy其中：LxLFFYALxFFYBdjwztjYjcKLxKLxLKFy1.1122 由上式看出，随着切削力作用点的变化，工艺系统的变形是变化的，这是由于工艺系统的刚度随着切削力作用点变化而

6、变化djwztjjcyjcKLxKLxLKyFK111122当x=0时，djtjyjcKKFy11当x=L时，max11yKKFydjtjyjc当x=L/2时，wzdjtjyjcKKKFy41141LKKKxwztjwz当 时，djwztjyinjcKKKFyy11,工件加工后成鞍形1、机床不变形、机床不变形的情况2、考虑主轴箱、尾座变形、考虑主轴箱、尾座变形情况3、考虑刀架变形、考虑刀架变形在内机床受力变形引起的加工误差1232） 工件变形引起的加工误差工件为悬臂梁时工件为悬臂梁时：EILFyyg33max3max3LEIyFKy加工后工件形状为加工后工件形状为：14工件为简支梁时：当x=0

7、或x=L时，yg=0，变形最小当x=L/2时，变形最大，EIlFYyg483max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2、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”。v减小误差复映的方法减小误差复映的方法1 1）增大工艺系统刚度；）增大工艺系统刚度；2 2）减少进给

8、量）减少进给量f f，减小切削力；，减小切削力；3 3）增加走刀次数；）增加走刀次数；4 4）减小毛坯误差值。）减小毛坯误差值。3、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【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削 解决：加橡皮垫【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（四）减小受力变形对加工精度影响的措施1）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。 2）提高连接表面接触刚度 提高机床部件中零件接

9、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。3）采用辅助支承（中心架，跟刀架，镗杆支承等）4）采用合理装夹和加工方式支座零件不同安装方法（五）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。2、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

10、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。 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，所以受到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。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

11、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。3、切削加工带来的残余应力 减小残余应力的措施减小残余应力的措施v 设计合理零件结构，提高零件刚性，使壁厚均匀。v 合理安排工艺过程，粗、精加工分开。v 时效处理。二、工艺系统热变形对加工精度的影响及其控制二、工艺系统热变形对加工精度的影响及其控制1、加工中的热现象：v 一上班，空转机床v 坐标镗床在恒温室内v 磨床身导轨，走两刀休息一下v 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 v热变

12、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。3、工艺系统热源v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。v摩擦热： 机械零件的轴承、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。v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。 v各种热对加工精度的影响 切削热： 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

13、，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。v 温度场工艺系统各部分温度分布。v温度场与热平衡研究目前以实验研究为主。v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和热源传递的热量趋于相等，这时工艺系统就达到了热平衡状态

14、。 在热平衡状态下，工艺系统的各部分的温度保持在一相对稳定的数值上，各部分的热变形也相应趋于稳定。4、温度场与工艺系统热平衡（二）工件热变形对加工精度的影响1、热源： 切削热2、工件均匀受热 应用条件： 形状简单的轴类，套类，盘类等零件的内外圆加工时，切削热较均匀的传入工件，若不考虑温升后的散热，其温度给工件全长和圆周的分布比较均匀，可近似看作均匀受热。热变形的大小LLtDDt圆柱类工件热变形式中 L， D 长度和直径热变形量； L，D 工件原有长度和直径； 工件材料线膨胀系数； t 温升。应用车削较长的轴时，会产生圆度误差，加工精度较高的轴类零件时，采用弹性或液压尾顶尖。tDRl2max53

15、1.1 1040014.410()4.4()LLtmmm 5级丝杠累积误差全长5m，可见热变形的严重性3 3、工件不均匀受热、工件不均匀受热应用条件： 铣、刨、磨平面时，工件单面受热作用，上下表面间的温差，将导致工件向上拱起，加工时，中间凸起被切去，冷却后工件下凹。热变形的大小式中 X 变形挠度； L，S 工件原有长度和厚度； 工件材料线膨胀系数； t 温升。28LtXS平面加工热变形x/ 4LS结果结果：加工时上表面升温，工件向上拱起，磨削时将中凸部分磨平，冷却后工件下凹。例例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3，则变形量为：221.120003886000.022 ()L

16、tXSmm此值已大于精密导轨平直度要求解决措施 切削液充分冷却 高速切削、使传入工件热量减少 在精加工前充分冷却 刀具不要过分磨钝 在夹紧状态下，有伸缩的自由（三）机床热变形对加工精度影响1、热源： 内外热源有影响（其中摩擦热影响很大），且由于各部件的热源不同，分布不均匀，以及机床结构的复杂性，因此不仅各部件的温升不同，而且同一部件不同位置的温升也不相同。使机床各部件之间的相互位置发生变化，破坏了机床原有的几何精度而造成加工误差。2、机床的热平衡状态： 机床运转一段时间后，各部件传入的热量和散失的热量基本相等，即达到热平衡状态，变形趋于稳定。在机床达到热平衡之前，机床几何精度变化不定，对加工精

17、度的影响也变化不定。3、机床的温升： 机床各部件由于体积较大，热量大，因此其温升一般不大。 车床主轴箱60 磨床1525 车床床身与主轴箱结合处20 磨床床身10 其他精密机床部件温升较低4、热平衡时间 车床、磨床 46h 中小型精密机床12h 大型精密机床 12h 5、各种机床的热变形及其对加工精度的影响车、铣 、钻、镗类机床： 主轴箱中的齿轮，轴承磨擦发热，润滑油发热是主要热源，使主轴箱及与之相连部分如床身或立柱的温度升高而产生较大变形。车床受热变形a） 车床受热变形形态运转时间 / h0 1 2 3 4501 501 002 00位移 /m20406080温升 / Yy前轴承温升b） 温升与变形曲线 车床主轴发热使主轴箱在垂直面向内和水平向内发生偏移和倾斜。在垂直向内，主轴箱的温升使主轴升高，又因主轴前轴承的发热量大于后轴承的发热量，主轴前端比后端高，由于主轴箱热量传给床身，床身导轨向上台起，故而加剧了主轴的倾斜。龙门刨床、导轨磨床等机床 床身热变形是影响加工精度的主要因素：因其床身较长、导轨稍有温差，就会产生较大的弯曲变形。 床身上下表面产生温差的原因，不仅是由于工作台运动时导轨摩擦发热所知，环境温度的影响也很大。导轨磨床受热变形立铣床受热变形形态立式平面磨床： 主轴承和主电机的发热传到立柱，使立柱内侧温度高于外侧，因而引起立柱的弯曲变形。 （四）