机械加工理论知识

关于机械加工理论知识2一、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第2页,共67页，2024年2月25日，星期天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。

第3页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第4页,共67页，2024年2月25日，星期天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，才能保证精度要求第5页,共67页，2024年2月25日，星期天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）第6页,共67页，2024年2月25日，星期天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：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/

yg

第7页,共67页，2024年2月25日，星期天81）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FpAA′BB′CC′xLFAFByxΔx第8页,共67页，2024年2月25日，星期天9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。第9页,共67页，2024年2月25日，星期天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：第10页,共67页，2024年2月25日，星期天112）工件变形引起的加工误差工件为悬臂梁时：加工后工件形状为：第11页,共67页，2024年2月25日，星期天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，如图所示第12页,共67页，2024年2月25日，星期天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——工件的长度第13页,共67页，2024年2月25日，星期天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”第14页,共67页，2024年2月25日，星期天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：第15页,共67页，2024年2月25日，星期天16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。第16页,共67页，2024年2月25日，星期天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：加开口套第17页,共67页，2024年2月25日，星期天18【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削

解决：加橡皮垫第18页,共67页，2024年2月25日，星期天194/11/2024第19页,共67页，2024年2月25日，星期天204/11/2024第20页,共67页，2024年2月25日，星期天214/11/2024第21页,共67页，2024年2月25日，星期天224/11/2024第22页,共67页，2024年2月25日，星期天23【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：变形补偿第23页,共67页，2024年2月25日，星期天24第24页,共67页，2024年2月25日，星期天25◆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）O第25页,共67页，2024年2月25日，星期天261、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。第26页,共67页，2024年2月25日，星期天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）第27页,共67页，2024年2月25日，星期天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：工作状态测定法第28页,共67页，2024年2月25日，星期天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第29页,共67页，2024年2月25日，星期天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、提高工艺系统刚度第30页,共67页，2024年2月25日，星期天31采用合理装夹和加工方式支座零件不同安装方法2、减小载荷及其变化第31页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第32页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第33页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第34页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第35页,共67页，2024年2月25日，星期天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F第36页,共67页，2024年2月25日，星期天37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。第37页,共67页，2024年2月25日，星期天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第38页,共67页，2024年2月25日，星期天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。第39页,共67页，2024年2月25日，星期天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.第40页,共67页，2024年2月25日，星期天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。

第41页,共67页，2024年2月25日，星期天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第42页,共67页，2024年2月25日，星期天434/11/2024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%，工件表面温度高第43页,共67页，2024年2月25日，星期天44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。第44页,共67页，2024年2月25日，星期天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和热源传刀的热量趋于相等，这时工艺系统就达到了热平衡状态。在热平衡状态下，工艺系统的各部分的温度保持在一相对固定的数值上，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第45页,共67页，2024年2月25日，星期天46二、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。热变形的大小长度：

直径：◆圆柱类工件热变形第46页,共67页，2024年2月25日，星期天47式中ΔL，ΔD——长度和直径热变形量；

L，D——工件原有长度和直径；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——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。第47页,共67页，2024年2月25日，星期天48

例：长400mm丝杠，加工过程温升1℃，热伸长量为：5级丝杠累积误差全长≤5μm，可见热变形的严重性3、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。热变形的大小第48页,共67页，2024年2月25日，星期天49式中

ΔX——变形挠度；

L，S——工件原有长度和厚度；

α——工件材料线膨胀系数；

Δt——温升。平面加工热变形Δxφ/4φLS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。第49页,共67页，2024年2月25日，星期天50例：高600mm，长2000mm的床身，若上表面温升为3℃，则变形量为：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，有伸缩的自由第50页,共67页，2024年2月25日，星期天51三、刀具热变形对加工精度的影响1、热源：切削热（由于刀体小、热重复小、虽然传入刀具热量并不多，但仍会有很高的温升）2、变形规律：（1）连接切削曲线1（2）间断切削曲线2（3）冷却后的曲线3τ(min)车刀热变形曲线连续切削升温曲线冷却曲线间断切削升温曲线ξ（μm）ξmayτb0τc0.63ξmay图中ξ——热伸长量；

ξmay——达到热平衡热伸长量；

τ——切削时间；

τc

——时间常数（热伸长量为热平衡热伸长量约63%的时间，常取3～4分钟）。第51页,共67页，2024年2月25日，星期天52

加工大型零件，造成几何形状误差尺寸分散，有节奏的加工一批工件，工件尺寸分散机床开动后，开始一段时间加工出零件尺寸变化大。

切削区充分冷却刀具不要过钝合理选择切削用量和刀具几何参数3、对加工精度的影响4、减少热变形措施第52页,共67页，2024年2月25日，星期天53四、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，对加工精度的影响也变化不定。第53页,共67页，2024年2月25日，星期天543、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〈15—25℃

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4—6h

中小型精密机床1—2h

大型精密〉12h第54页,共67页，2024年2月25日，星期天555、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的变形。第55页,共67页，2024年2月25日，星期天56车床受热变形a）车床受热变形形态运转时间/h0123450150100200位移/μm20406080温升/℃ΔYΔy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。第56页,共67页，2024年2月25日，星期天57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。导轨磨床受热变形第57页,共67页，2024年2月25日，星期天58各种磨床热源：液压传动系统和高速回转磨头，并且使用大量的切削液都是磨床的主要热源。变形：砂轮主轴轴承发热、使主轴轴线升高并使砂轮架向工件方向趋近，由于主轴前后轴承温升不同，主轴