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1、LOGO机制教研室第七章 机械加工精度机械制造技术LOGO第七章 机械加工精度第四节 工艺系统受力变形引起的 加工误差工艺系统刚度分析一 工艺系统受力变形对加工精度的影响二一本 节 教 学 内 容第四节 工艺系统受力变形引起的加工误差三减小工艺系统受力变形的措施本节教学要求本节教学要求 ： （1）了解工艺系统刚度的概念；（2）掌握工艺系统受力变形引起的误差对加工精度的影响；（3）掌握减小工艺系统受力变形的措施。本 节 教 学 要 求第四节 工艺系统受力变形引起的加工误差本节教学重点：本节教学重点：减小工艺系统受力变形的措施。本 节 教 学 重 点第四节 工艺系统受力变形引起的加工误差工 艺 系
2、 统 刚 度 分 析工艺系统的受力变形是加工中一项很重要的原始误差。它不仅严重影响加工精度，而且还影响表面质量，也限制切削用量和生产率的提高。第四节 工艺系统受力变形引起的加工误差一、工艺系统刚度分析工 艺 系 统 刚 度 分 析工艺系统是由机床、刀具、夹具和工件组成的，在切削力、传动力、惯性力以及重力作用下，将产生弹性、塑性变形和振动。这种变形和振动，将破坏刀具和工件之间的成形运动的位置关系和速度关系，还影响切削运动的稳定性，从而产生各种加工误差和表面粗糙度。 （一）刚度的概念第四节 工艺系统受力变形引起的加工误差工艺系统的受力变形引起的加工误差车削细长轴时，在切削力的作用下，工件因弹性变形
3、，而出现“让刀”，随着刀具的进给，在工件的全长上切削深度由多变少，又由少变多，结果使零件产生腰鼓形。 工 艺 系 统 刚 度 分 析工艺系统的受力变形引起的加工误差薄壁零件夹紧时，由于夹紧力的影响，会引起很大的形状误差。 工 艺 系 统 刚 度 分 析工艺系统的受力变形引起的加工误差镗孔时，在切削力的作用下，刀杆因产生弯曲变形，而出现“让刀”，随着刀具的进给，在工件的全长上切削深度由多变少，又由少变多，结果使零件产生锥形。 工 艺 系 统 刚 度 分 析工艺系统的受力变形引起的加工误差在内圆磨床上用横向切入磨孔时，由于内圆磨头主轴弯曲变形，磨出的孔会带有锥度的圆柱度误差。精度外圆一般到磨削后期
4、需进行无进给磨削，多次无进给磨削消除工艺系统受力变形。工 艺 系 统 刚 度 分 析1.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。工 艺 系 统 刚 度 分 析（一）刚度的概念工艺系统刚度kxt ：工件加工表面的法向分力FP与总切削力（Fc 、 Fp、 Ff）作用下产生的沿法向的变形yxt之间的比值。2.工艺系统刚度切削加工中，在各种外力作用下，工艺系统各部分将在各个受力方向产生相应的变形。对于工艺系统受力变形，主要研究误差敏感方向。 工 艺 系 统 刚 度 分 析（一）刚度的概念部件受力变形和零件受力变形的关系2.工艺系统刚度工 艺
5、 系 统 刚 度 分 析工艺系统的受力变形应等于各环节在误差敏感方向的变形之和。即：2.工艺系统刚度工艺系统刚度计 算的一般式为工 艺 系 统 刚 度 分 析工件用三爪卡盘装夹，工件的变形可按悬臂梁计算：最大变形： 最小刚度为：（二）工件、刀具的刚度1.工件的刚度 形状规则、简单的工件的刚度可用有关力学公式推算。如长轴工件用两顶尖装夹，工件的变形可按简支梁计算：最大变形： 最小刚度： 工 艺 系 统 刚 度 分 析如用镗杆悬臂镗削工件时，刀具的变形可按悬臂梁计算：最大变形： 最小刚度为：2.刀具的刚度 当刀具的形状比较简单时，其刚度也可用有关力学公式推算。工 艺 系 统 刚 度 分 析（二）工
6、件、刀具的刚度静刚度测量（三）机床部件的刚度及特点由于机床部件刚度的复杂性，很难用理论公式计算，刚度计算主要通过实验方法来测定。下页图为用实验方法测出的车床刀架部件的刚度曲线。 工 艺 系 统 刚 度 分 析车床刀架部件静刚度曲线工 艺 系 统 刚 度 分 析（三）机床部件的刚度及特点从机床静刚度曲线可以看出：1）刚度曲线不是直线，力和变形不成线性关系。这表明部件的变形不单纯是弹性变形。 车床刀架部件静刚度曲线工 艺 系 统 刚 度 分 析（三）机床部件的刚度及特点2）加载曲线与卸载曲线不重合。两曲线间的包容面积代表循环中消耗的能量，即消耗在零件间的接触变形、摩擦和塑性变形所作的功。 车床刀架
7、部件静刚度曲线工 艺 系 统 刚 度 分 析（三）机床部件的刚度及特点3）加载曲线与卸载曲线不封闭。图中第一次加载、卸载后曲线回不到原点，说明部件中存在间隙和残余变形。 车床刀架部件静刚度曲线工 艺 系 统 刚 度 分 析（三）机床部件的刚度及特点4）部件的刚度远比同样实体零件的刚度低得多 。因为机床部件由许多零件组成，零件之间存在 着结合面、配合间隙和刚度薄弱环节，机床部件刚 度受这些因素影响，特别是薄弱环节对部件刚度影 响较大 。车床刀架部件静刚度曲线工 艺 系 统 刚 度 分 析（三）机床部件的刚度及特点机床部件的刚度除与本身的结构及材料性能有关 外，还受下列因素影响。 （四）影响机床部
8、件的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。工 艺 系 统 刚 度 分 析1.连接表面的接触变形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。 工 艺 系 统 刚 度 分 析（四）影响机床部件的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
9、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工 艺 系 统 刚 度 分 析（四）影响机床部件的刚度的因素3.零件间的间隙和摩擦力的影响零件配合面间的间隙对部件刚度的影响，主要反 映在载荷经常变化的镗床和铣床上。当载荷方向改变 时，间隙引起的位移，影响刀具与零件表面间的准确 位置。如果载荷是单向的，那么在第一次加载消除间 隙后，对加工精度影响较小。间隙对刚度曲线的影响工 艺 系 统 刚 度 分 析（四）影响机床部件的刚度的因素1.切削力作用点位置变化引起的加工误差切削过程中，工艺系统的各环节
10、的刚度和整个工艺系统的刚度，会随切削力作用点位置的变化而变化，也使工艺系统的受力变形随之变化，引起工件的加工误差。下面以在车床两顶尖之间车削光轴外圆为例加以说明，并且假设在加工过程中切削力保持不变。工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响二、工艺系统受力变形对加工精度的影响（1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响由于车刀和工件刚度很高，变 形极小，故可忽 略不计。此时， 工艺系统的总变 形完全取决于头 架、尾座（包括 顶尖）和刀架的 变形。（1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工
11、精 度 的 影 响（1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴刀具切削点处工件 轴线的位移工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响（1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴刀具切削点处工件 轴线的位移工艺系统的总位移为：工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响（1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴随着切削力作用点位置的变化，工艺系统的变形是变化的。显然这是由于工艺系统的刚度是随切 削力作用点位置的变化而变化所致。当按上述条件 车削时，工艺系统刚度实为机床刚度。时机床刚度最大，变形最小，即用极值的方法，可以求出当工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响
12、加工短粗工件， 工件刚度较大， 变形要小，工艺 系统的变形取决 于机床头、尾架 、顶尖、刀架和 刀具的变形，工 件产生鞍形加工 误差。 （1）在车床顶尖间车削粗而短的光轴工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响（2）在两顶尖间车削细长轴 由于工件细长、刚度小，在切削力作用下，工件 的轴线产生弯曲变形。切削点的变形量为工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响加工细长工件，刚度低，工艺系统的变形取决 于工件的变形，产生鼓形加工误差。（2）在两顶尖间车削细长轴 当x=L/2时，工件刚度最小，变形最大。工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的
13、影 响2.切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响在切削加工中，由于工件加工余量或材料硬度不均匀，会引起切削力大小的变化，从而使工艺系统受力变形不一致而产生加工误差。 误差复映规律：当毛坯有形状误差或位置误差时，加工后工件仍会有同类的加工误差。但每次走刀后工误差将逐步减少。下图为车削有椭圆形圆度误差的短圆柱毛坯外圆切削分力切削分力F Fp p可表示为可表示为 ： 车削时xFc=1，在一次走刀中f不变，故：1.切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响工 艺 系 统 受 力
14、变 形 引 起 的 加 工 误 差1.切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律车削前圆度误差车削前圆度误差 ：车削后圆度误差车削后圆度误差 ：误差复映系数误差复映系数第一次走刀：第一次走刀：第第n n次走刀次走刀 ：则则 ：可见：n，则：；kxt，则：1.切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响1.切削力大小变化引起的加工误差误差复映规律工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响3.工艺系统其它力引起的加工误差（1）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
15、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。 工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 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。（2）传动力引起的加工误差 工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响被加工工件在装夹过程中，由于刚度较低或着力 点不当，都会引起工件的变形，
16、造成加工误差。特别 是薄壁套、薄板等零件，易于产生加工误差。（3）夹紧力引起的加工误差工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响（3）夹紧力引起的加工误差工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响（3）夹紧力引起的加工误差工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响在工艺系统中，由于零部件自身的重力所引起的 相应变形，也会造成加工误差。如龙门铣床、龙门刨 床刀架横梁的变形，铣镗床镗杆伸长而下垂变形，摇 臂钻床摇臂的弯曲变形等，都会造成加工误差。（4）重力引起的加工误差 工 艺 系 统 受 力 变 形 对 加 工 精 度 的 影 响三、减小工艺系统受力变形的措施减 小 工 艺 系 统 受 力 变 形 的 措 施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
