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1、专题3机械加工精度与工艺系统刚度及受力变形,目 录,一、机械加工精度 二、工艺系统刚度的概念及计算 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、机械加工精度,（一）概念,加工精度是指零件加工后的实际几何参数（尺寸、形状及各表面相互位置等参数）与理想几何参数的符合程度。符合程度越高，加工精度就越高。反之，越低。,表面绝对平面、圆柱面等； 位置绝对平行、垂直、同轴等； 尺寸位于公差带中心。,一、机械加工精度,机械加工精度,尺寸精度,形状精度,位置精度,一般情况下，形状误差应限制在位置公差之内，而位置误差又应限制在
2、尺寸公差之内。,一、机械加工精度,（二）获得加工精度的方法,1、获得尺寸精度的方法,试切法：用于单件小批生产；,调整法：用于成批大量生产；,定尺寸刀具法：生产率高，刀具制造复杂；,自动控制法：切削测量补偿自动完成。,一、机械加工精度,一、机械加工精度,一、机械加工精度,2、获得形状精度的方法,轨迹法：利用刀尖运动轨迹形成工件表面形状；,成形刀具法：由刀刃的形状形成工件表面形状；,展成法：由切削刃包络面形成工件表面形状；,3、获得相互位置精度的方法,主要由机床精度、夹具精度和工件的装夹精度来保证。,仿形法：在普通铣床上用轴向剖面形状与被切齿轮齿槽形状完全相同的铣刀切制齿轮的方法。,一、机械加工精
3、度,(三)加工误差与原始误差,加工误差是指零件加工后的实际几何参数对理想几何参数的偏离程度。加工误差的大小表示了加工精度的高低，加工误差是加工精度的度量。,由机床、夹具、刀具和工件组成的机械加工工艺系统的误差是工件产生加工误差的根源。我们把工艺系统的各种误差称之为原始误差。,使工艺系统各组成部分之间的位置关系或速度关系偏离了理想状态，致使加工后的零件产生了加工误差。,一、机械加工精度,一、机械加工精度,原始误差对加工误差的影响,各种原始误差的大小和方向各有不同，而加工误差则必须在工序尺寸方向上测量。所以原始误差的方向不同时对加工误差的影响也不同。,把对加工误差影响最大的那个方向（即通过刀刃的加
4、工表面的法线方向）称为误差敏感方向。,一、机械加工精度,d,R,R+ R,R,Y,o,D,R,Z,Z,Y,当主轴在Z方向存在误差Z时，反映到工件半径方向上的误差为Rz,当主轴在Y方向存在误差Y时，则此误差将是1：1反映到工件半径方向上,一、机械加工精度,图例,一、机械加工精度,一、机械加工精度,(四)影响加工精度的因素,一、机械加工精度,二、工艺系统刚度的概念及计算,产生原因： 切削加工时，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，以及切削成形运动所需要的正确几何关系发生变化，而造成加工误差。,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,破坏了刀
5、具、工件间相对位置,工艺系统受力变形现象,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。,二、工艺系统刚度的概念及计算,（一）物体的刚度,任何一个物体受力后总要产生一些变形。作用力F与其作用下产生的变形量y的比值，称为物体的刚度。,二、工艺系统刚度的概念及计算,（二）工艺系统的静刚度,二、工艺系统刚度的概念及计算,一、工艺系统刚度的概念及计算,（三）工艺系统刚度的计算,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yjc 、夹具变形yjj、刀具变形yd、工件变形yg,一、工艺系统刚度的概念及计算,已知工艺系统各
6、组成环节的刚度，即可求得工艺系统的刚度,三、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,三、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,1、机床的变形 2、工件的变形 3、工艺系统的变形,三、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,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
7、：,1机床的变形,三、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,1机床的变形,三、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,机床的总变形是随着切削力作用点（x）的变化的 在x0和xL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。,计算结果说明,1机床的变形,三、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,工件加工结果,1机床的变形,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,
8、（一）切削力作用点位置变化引起的工件形状误差,2工件的变形,三、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,2工件的变形,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x0或xL时，变形最小，为0 当xL/2时，工件刚度最小，变形最大 加工结果：工件呈鼓形,三、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,3工艺系统的变形,三、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,3工艺系统的变形,三、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,3工艺系
9、统的变形,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（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,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,以椭圆截面车削为例说明,由于工艺系统受力变形，使毛坯误差部分反映到工件上，此种现象称为“误差复映”.,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,车削前圆度误差：,车削后圆度误差：,误差复映系数,三、工艺系统刚度对加工精度的
10、影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,第一次走刀：,第n次走刀：,则：,可见：n，则：；kxt，则：,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,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,结 论,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（二）切削力大小变化引起的加工误差,结 论,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
11、制毛坯材料硬度的均匀性是重要。因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，就会使得洞见的尺寸分散范围扩大，甚至超差,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（三）夹紧力和重力引起的加工误差,套筒夹紧变形误差及采用开口过渡环,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（三）夹紧力和重力引起的加工误差,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（三）夹紧力和重力引起的加工误差,机床部件自重引起地横梁变形,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（四）传动力和惯性对加工精度影响,在车床或磨床类机床上加工轴类零件时，常用单爪拨盘带动工件旋转。传动力在拨盘的每一转中不断改变方向，和惯性力一样，其在误差敏感方向的
12、分力有时将工件推向刀具，有时将工件拉离刀具，从而造成工件的圆度误差。,传动力引起的加工误差,三、工艺系统刚度对加工精度的影响,（四）传动力和惯性对加工精度影响,惯性力引起的加工误差,在切削加工中，由于高速旋转的零部件（包括夹具、工件和刀具）的不平衡而产生离心力。在每一转中，离心力不断改变方向，它在误差敏感方向的分力有时将工件推向刀具，有时将工件拉离刀具，使工艺系统的受力变形发生变化，从而引起加工误差。,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
13、2、工作状态测定法 依据误差复映规律，进行计算,四、机床部件刚度,四、机床部件刚度,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,说 明,四、机床部件刚度,（二）影响机床部件刚度的因素,零件表面总是存在着宏观和微观的形状误差，连接表面之间的实际接触面积小于名义接触面积。在外力作用下，这些接触处将产生较大的接触应力而引起接触变形。既有弹性变形，也有局部的塑性变形。,1.连接表面的接触变形,四、
14、机床部件刚度,（二）影响机床部件刚度的因素,连接表面间的接触变形,零件接触面在外力作用下抵抗接触变形的能力称为接触刚度。影响接触刚度的主要因素是接触表面的粗糙度、表面形状误差、材料的硬度等。,四、机床部件刚度,（二）影响机床部件刚度的因素,薄弱零件变形示意图,如果部件中有某些刚度很低的零件时，受力后这些低刚度零件会产生很大的变形，使整个部件的刚度降低。如图所示，由于床鞍部件中的楔铁细长、刚性差，不易加工平直，加上使用接触不良，在外力作用下，就会产生很大变形，使部件刚度大大降低。,2.部件中薄弱零件的影响,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度 （二）减小载荷及其变
15、化,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,1.提高工件的刚度,增加支承提高工件的刚度 a）采用中心架 b）采用跟刀架,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,2.提高机床部件的刚度,采用辅助支承提高机床部件的刚度,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,3.提高接触刚度,一般部件的刚度都是接触刚度低于实体零件的刚度，所以提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。 常用的提高接触刚度方法： （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,
16、五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,4.合理装夹工件，减小夹紧变形,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,4.合理装夹工件，减小夹紧变形,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（一）提高工艺系统的刚度,5.采用补偿或转移变形的方法,变形补偿法,五、减少工艺系统受力变形对加工精度影响措施,（二）减小载荷及其变化,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,（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
