【2017年整理】第三节主要的课件

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1、第三节 主要课件 一、影响工艺系统刚度的因素 1 工艺系统的变形曲线 （1） 加载变形曲线 图4表示了一台机器或一个部件的加载变形曲线，可以明显地看出，载荷和变形不成正比线性关系，而是正比曲线关系，这主要是由于接触变形的影响，也可能有刚度很差的零件存在。这种变形曲线又可以分为两类，一是凹形曲线图4（1），一是凸形曲线图4（2）。凹形曲线的特点是开始变形很大，逐渐刚度变好；而凸形曲线的特点是开始刚度较好，随着载荷的加大，刚度愈来愈差。凹形曲线可能是在机器或部件中存在着刚度很差的零件，极易变形，一旦该零件变形变小，则整个刚度值将上升。凸形曲线则可能是由于结构中有预紧力，当载荷超过预紧力时，刚度急剧

2、变差。 （2） 正反加卸载变形曲线 图5表示了某一结构正反加卸载变形曲线。先在正方向加载，得加载变形曲线。然后卸载，得卸载变形曲线，可见两曲线不重合，产生类似“磁滞”现象，这主要是由于接触面上的塑性变形，零件位移时的摩擦力消耗以及间隙的影响。同理在反方向加载卸载，又可得到加载变形曲线和卸载变形曲线，两者也不重合。同时整个加卸载过程最后不回原点，最终最大间隙量为y。图中正向加载曲未从原点开始是考虑了结构间隙，这时加载很少，只要超过位移面间的摩擦力，即可使零件产生位移。 （3） 多次重复加卸载变形曲线 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 图6表示某一结构的多次重复加卸载变形曲线，

3、图中绘出了三次加卸载的情况，第一次加卸载，“磁滞”现象严重，以后逐渐减少。因为结构经过第一次加卸载后，大部分间隙消除，接触面上变形由于接触面积增大而减小。经过若干次重复加卸载，卸载曲线逐渐接近加载曲线，加载曲线的起始点和卸载曲线的终点也逐渐重合。由于摩擦力消耗、接触面变形愈来愈小，将得加卸载曲线逐渐接近，这是指在相同外力的作用下而言，即每次加载的力值是一样的。 总结一下工艺系统的变形曲线，有以下几点： 变形曲线是非线性的，有凸形和凹形两种。可根据曲线求瞬时刚度与平均刚度。 加载变形曲线与卸载变形曲线不重合，且不回起始点。 多次重复加卸载变形曲线不重合，随着重复次数的增加，变形曲线逐渐接近。 单

4、件零件的变形曲线与一个机器或部件的变形曲线相差很大。 从上面所说的现象可以来分析影响工艺系统刚度的因素。 2.影响工艺系统刚度的因素 （1） 接触表面的表面质量 接触面间的变形与零件的表面粗糙度、几何形状、接触面积大小及材料的物理机械性质有关。如图7所示，零件的表面有微观几何形状精度（即表面粗糙度）的影响。两表面开始接触时，接触面较小，因此不仅有弹性变形，而且在局部地区还有塑性变形。开始时变形较大，随着变形的增加接触面积不断增大，变形应力不断减小，变形也逐渐减小。从接触刚度来看，变形曲线是凹形曲线。 接触变形中的弹性变形在外力去除后就会恢复，而塑性变形就会永久保留，这样就有能量的消耗和损失。这

5、是造成加载曲线与卸载不重合的原因之一。 由于接触面上的塑性变形，造成零件之间的间隙变大，使得卸载曲线不回原点。 图7 接触面表面质量对接触刚度的影响 PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 图8 刚度较差的零件镶条 （2） 系统存在薄弱环节刚度较差的零件 机器或部件中，经常采用镶条、键等联结零件。这些零件的本身刚度很差，极易变形。使整个系统刚度变差，且变形曲线成凹形。图 8 为一燕尾导轨的镶条结构。镶条为一细长扁薄零件，在两个截面上均易变形（图右边为镶条变形情况）。因此在受力后，这个零件先变形，影响了整个机器或部件的刚度。又如图 9 是一个薄壁套筒零件，也是一个极易变形的零件。

6、 （3） 连接件夹紧力的影响 机器和部件中的许多零件多是用螺钉等连接起来的，当加外载荷时，开始载荷小于螺钉所形成的夹紧力，这时变形较小，刚度较高；当载荷大于螺钉所形成的夹紧力，这时螺钉将变形、因此变形较大，刚度较差，所以有连接件的一些结构中，多出现凸形变形曲线。 为了提高刚度和接触刚度，在一些结构中采用了加预紧力的措施，当载荷超过预紧力时就会有较大的变形，因此变形曲线也是凸形的。如滚动导轨结构，有摩擦小、轻便灵活等优点，但刚度和接触刚度较差，通常是采用加预紧力的办法来提高。当然这种情况不希望预紧力过大，即不希望载荷过大。 （4） 摩擦力的影响 摩擦力对刚度也是有影响的。在加载时，摩擦力阻碍零件

7、的间隙位移，内摩擦力阻碍变形增加；在卸载时，内摩擦力又阻止变形减小。但是摩擦力总是会造成能量的消耗，因此使得加载曲线与卸载曲线不重合。 我们可以做一个有趣的试验，即在加载和卸载的过程中加以振动，这时零件的变形和位PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 移是断续跳跃地进行。因有时没有摩擦力的作用，因此“磁滞”较小，如图10所示。 （5） 间隙的影响 在机器或部件上进行正向加载，由于间隙的存在，当载荷大于零件间的摩擦力时，就会产生位移。反向加载时也是一样。因而造成正向加载曲线的起始点与反向卸载曲线的终结点不重合，可参考图5。由于接触变形会加大间隙量，使得间隙对刚度的影响更为严重，这种

8、变形主要是塑性残留变形造成的。 在结构上应考虑减小间隙。对于某些精密机器可进行一定时间的空运转预热，减小间隙，加大刚度。 由于刚度是包括零件本身的变形和零件之间接触面上的接触变形，因此在分析影响工艺系统刚度的因素中，把接触刚度作为因素之一，也就是把接触刚度作为整个刚度的一部分。有许多因素可影响接触刚度，如表面粗糙度、表面纹理方向、表面硬度、表面几何形状等。 二、工艺系统受力变形对加工精度的影响 工艺系统在受切削力、传动力、惯性力、重力、夹紧力及内应力等都会产生变形，对加工精度的影响较大。 1 切削力 工艺系统受切削力的作用将产生变形，当切削力变化时造成变形量的变化，因此将会影响工件的尺寸精度、

9、形状精度及位置精度。切削力的变化主要是由于加工余量不均匀，材料的硬度不均匀，以及机床、工件、夹具、刀具等在不同的受力部位刚度不同，从而产生的变形不等。 以典型的轴类零件来说，可以从径向截面和轴向截面来讨论其精度。 （1） 切削力对轴类零件径向截面精度的影响 轴类零件径向截面的形状精度可用误差复映现象来分析。 误差复映是指由于工艺系统变形的存在，工件加工前的误差前将以类似的形状反映到加工后的工件上去，造成加工后误差后，这种现象称为误差复映现象。误差复映的程度通常以误差复映系数表示，用下式简化计算 yFyFynyF HBfCCKC)(01=式中系统e由上式可见，要减少误差复映现象，加快精度提高的速

10、度，主要措施是提高工艺系统的刚度。有时也可通过改变 f 及刀具材料或切削角度来实现。当工件一次走刀后，径向截面PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 的精度有所提高，其提高的程度可由误差复映系数e 表示，其中表明了切削力对轴类零件径向截面形状精度的影响，系数e 就是一个与切削力有关系的数值。 当工件第一次走刀时，其误差复映系数e 用 1e 来表示，11011系统KC=e ； 工件第二次走刀时，其误差复映系数e 用 2e 来表示，22122系统KC=e ，这是考虑了第二次走刀可能是另一工步，所用刀具和切削用量与第一次走刀不同，故用系数 2e 表示，同时工件由于第一次走刀被切削掉一部

11、分，故工艺系统刚度也不同。 同理，当工件第三次走刀时，33233系统KC=e 。 工件经过三次走刀后，其径向截面形状精度的变化可用总的误差复映系数来表示， 32123120103 eeee = 由于 ie 都是小于1的，故e 小于 1e 、 2e 、 3e ，可见工件经过三次走刀，径向截面精度得到了一定的提高。 工件经过多次走刀，其总的误差复映系数e 等于各次走刀误差复映系数 ie 的乘积。 neeeee L= 321 ，n为走刀次数 如果每次走刀所用刀具和切削用量等都相同，又忽略 系统K 的变化，则各次走刀的 ie 相等。 niee = ，n为走刀次数 综上所述，可知 A 刀次数（或工步次数

12、）愈多，总的误差复映系数愈小，零件横向截面的形状精度愈高，对于轴类零件则是径向截面的形状精度愈高。 B 系统刚度愈好，加工精度愈高。 C 切深 Pa 值的大小并不影响误差复映系数e 值，因为e 只和切深 Pa 的差值有关，因此切深 Pa 值的大小不影响横向截面的形状精度，但它会影响切削力的大小，使工件、机床等的变形产生变化，从而会影响工件的横向截面尺寸精度。所以工件进行多次走刀时，不论每次切深多少，也许第二次走刀的切深比第一次走刀的大，每次走刀后的横向截面PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 形状精度总会提高，而尺寸精度却不同，切深愈大，变形愈大，工件横向截面尺寸精度愈差。 D

13、 可以根据零件所要求的形状精度和毛坯的情况来选择工艺系统刚度及走刀次数，也可以根据现有工艺系统的刚度及走刀次数，来计算工件可能达到的形状精度。 例：在车床上车削 20050f 的锻钢轴，材料 Pab 71075=s ，刀具为 YT15 硬质合金，主偏角 = 45rK ，前角 = 0g ，直径上的余量为4士1mm，切深 Pa =2mm，进给f =0.3mmr；切速v=100mmin，（ A ）若 选 走刀次数i=1，工件径向截面几何形状精度要求为0.008mm，即考虑工件要求达到 h6，尺寸公差为0.016mm，取几何形状误差占尺寸公差的50%，求算这时工艺系统的刚度要多少？（B）若已知工艺系统

14、刚度为20000Nmm（主要指机床的刚度），问需要走刀几次才能达到0.008mm的径向截面几何形状精度要求。 解答：（A）由系统系统 KHBfCKC yFyFynyF )(01=e mmmm 21,008.0 01 = 从切削用量手册中可以查出 175.0/3.019135.0 = yFyFyF nyrmmfHBC ， mmNKK/5.66397008.0 8.93.019135.028.9191)3.0(35.02008.075.075.0=）（系统系统 可见车削工艺系统中很难有这样高的刚度，也就是不能一次走刀就达到这样高的几何形状精度。 （B）由 004.02008.00= ie ，可知总

15、的误差复映系数应小于或等于 0.004。 设进行两次走刀，第二次走刀进给 f2=0.2mmr，用了另一把车刀， 5.0=yFC ，实际为两工步。 22211121)()(21系统系统 KHBfCKHBfC yFyFyyFyFynyFFny = eee PDF 文件使用 pdfFactory 试用版本创建 002.020000 8.91912.05.020000 8.91913.035.0/2000075.075.021=）（）（，emmNKKQ可知两次走刀就可以达到精度要求。 （2） 切削力对轴类零件轴向截面精度的影响 沿工件轴向算出其各点在切削力作用下，由于工艺系统受力变形而引起工件精度的变化，便可得到工件整个轴向截面的尺寸及形状精度。由计算及实验都可知道沿工件轴向各点的受力变形不相同，因此工件轴向截面精度在尺寸和形状上均有变化。 要求出轴类零件轴向截面精度，可在轴向选几个间隔相等的典型点，求出各相应点上因受切削力使机床、工件、刀具及夹具等产生的变形，最后把它们综合起来就能得到轴向截面精度。现只算机床和工件两项，由前述静刚度可知，在 Fy力作用下，车床沿工件轴向各点的变形为： + +=+ +