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1、 机械制造工艺过程机械制造工艺过程 第六讲第六讲 1 1 刚度的概念、刚度的概念、 工艺系统刚度的计算工艺系统刚度的计算2 2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 （1 1）切削力作用点位置（机床的变形、工件的变形）切削力作用点位置（机床的变形、工件的变形） （2 2）切削力大小）切削力大小 （3 3）夹紧力和重力）夹紧力和重力 （4 4）传动力和惯性力）传动力和惯性力3 3 机床部件刚度机床部件刚度4 4 相关措施相关措施5 5 工件残余应力工件残余应力本次课程目标本次课程目标n切削加工时，工艺系统在切削力、加紧力以及重力等的作切削加工时，工艺系统在切削力、加紧力以及重
2、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。生变化，而造成加工误差。n例如车削细长轴时，工件在切削力的作用下会发生变形，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。使加工出的轴出现中间粗两头细的情况。刚度的概念刚度的概念刚度的概念刚度的概念n在内圆磨床上以横向切入法磨孔时，由于内圆磨头主轴弯曲在内圆磨床上以横向切入法磨孔时，由于内圆磨头主轴弯曲变形，磨出的孔会出现圆柱
3、度误差。变形，磨出的孔会出现圆柱度误差。（一）工艺系统的静刚度（一）工艺系统的静刚度 刚度的概念刚度的概念工艺系统刚度的计算工艺系统刚度的计算（一）切削力作用点位置变化引起工件的形状误差（一）切削力作用点位置变化引起工件的形状误差 1 1、机床的变形（在两顶尖间车削短而粗的光轴）、机床的变形（在两顶尖间车削短而粗的光轴） 图：工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响例题分析例题分析在车床的两顶尖间加工短而粗的光轴外圆时（工件的刚度相在车床的两顶尖间加工短而粗的光轴外圆
4、时（工件的刚度相对于机床刚度大得多），若已知对于机床刚度大得多），若已知Fy=100N,Ktj=100000N/mm,Kwz=50000N/mm,Fy=100N,Ktj=100000N/mm,Kwz=50000N/mm,试求由于机床刚试求由于机床刚度不均匀引起的加工表面的形状误差为多少？度不均匀引起的加工表面的形状误差为多少？参考答案参考答案参考答案参考答案工件的变形（车削细长轴）工件的变形（车削细长轴）图：不考虑机床和刀具的变形，由材料力学公不考虑机床和刀具的变形，由材料力学公式计算工件在切削点的变形量式计算工件在切削点的变形量；工件的变形（车削细长轴）工件的变形（车削细长轴）工艺系统的总变
5、形工艺系统的总变形工艺系统的总变形工艺系统的总变形切削力大小变化引起的加工误差切削力大小变化引起的加工误差 误差复映误差复映误差复映误差复映误差复映误差复映夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差夹紧力和重力引起的加工误差传动力和惯性力对加工精度的影响传动力和惯性力对加工精度的影响1 1 传动力影响（传动力影响（ 见下页图见下页图 ） 整个工件在空间作圆锥运动：固定的后顶整个工件在空间作圆锥运动：固定的
6、后顶尖为其锥角顶点，前顶尖带着工件在工件画出尖为其锥角顶点，前顶尖带着工件在工件画出一个圆。一个圆。 和主轴圆锥摆动一样，正圆柱，并不产生和主轴圆锥摆动一样，正圆柱，并不产生加工误差。加工误差。传动力和惯性力对加工精度的影响传动力和惯性力对加工精度的影响2 2 惯性力的影响惯性力的影响 高速切削不平衡的高速旋转构件离心力存在高速切削不平衡的高速旋转构件离心力存在轴线作圆锥摆动理论上无圆柱误差，轴线作圆锥摆动理论上无圆柱误差， 但是，离心力大于切削力轴径和轴套内孔的接触点但是，离心力大于切削力轴径和轴套内孔的接触点不停变化轴套孔圆度误差传给工件的回转轴心。不停变化轴套孔圆度误差传给工件的回转轴心
7、。 周期性的惯性力还常常引起工艺系统的强迫振动。周期性的惯性力还常常引起工艺系统的强迫振动。 解决办法：对重平衡解决办法：对重平衡（一）机床静刚度的测定（一）机床静刚度的测定图：车床刀架的静刚度特性曲线图：车床刀架的静刚度特性曲线、静态测定法、静态测定法 2 2、工作状态测定法、工作状态测定法机床部件刚度机床部件刚度图：图：机床部件刚度机床部件刚度1 1 变形与作用力不是线性关系；变形与作用力不是线性关系； 刀架变形不纯粹是弹性变形刀架变形不纯粹是弹性变形2 2 加载与御载曲线不重合；加载与御载曲线不重合； 有能量损失，克服摩擦和接触变形所作的功有能量损失，克服摩擦和接触变形所作的功3 3 御
8、载后曲线不回到原点；御载后曲线不回到原点； 有残留变形有残留变形4 4 部件的实际刚度远比按实体所估算的小。部件的实际刚度远比按实体所估算的小。机床部件的刚度曲线特点机床部件的刚度曲线特点工作状态测定法工作状态测定法不足：1 无完整的刚度特性曲线2 材料的不均匀等带来的切削力变化，切削过程中的其他随机性因素，都会给测定的刚度值带来误差。 1 1、连接表面间的接触变形、连接表面间的接触变形 、薄弱零件本身的变形、薄弱零件本身的变形 、摩擦力的影响、摩擦力的影响 、接合面的间隙、接合面的间隙影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因
9、素影响部件刚度的主要因素、薄弱零件本身的变形、薄弱零件本身的变形影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素、摩擦力的影响、摩擦力的影响 机床部件受力变形零件间连接表面发生机床部件受力变形零件间连接表面发生错动加载时摩擦力阻碍变形的发生御载错动加载时摩擦力阻碍变形的发生御载时摩擦力阻碍变形的恢复造成加载御载刚度时摩擦力阻碍变形的恢复造成加载御载刚度曲线不重合。曲线不重合。 影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素、接合面的间隙、接合面的间隙 部件中各零件间如果有间隙受到较小的力（克服摩部件中各零件间如果有间隙受到较小的力（克服摩擦力）就会使零件相互错动表现为刚度很低。擦力）就会使零件相互错
10、动表现为刚度很低。 间隙消除后相应表面接触开始有接触变形和弹间隙消除后相应表面接触开始有接触变形和弹性变形表现为刚度很大。性变形表现为刚度很大。 单项载荷，第一次加载消除间隙后对加工精度的影响较小；单项载荷，第一次加载消除间隙后对加工精度的影响较小； 动作载荷不断改变方向（镗、铣），间隙的影响大。动作载荷不断改变方向（镗、铣），间隙的影响大。影响部件刚度的主要因素影响部件刚度的主要因素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（一）提高工艺系统的刚度（一）提高工艺系统的刚度（二）减小载荷及其变化（二）减小载荷及其变化 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（一）提高工艺
11、系统的刚度（一）提高工艺系统的刚度 1 1 合理的结构设计合理的结构设计 2 2 提高连接表面的接触刚度提高连接表面的接触刚度 （1 1）提高机床部件中零件间接合表面的质量）提高机床部件中零件间接合表面的质量 （2 2）给机床部件以预加载荷）给机床部件以预加载荷 （3 3）提高工件定位基准面的精度和减小表面粗糙度值）提高工件定位基准面的精度和减小表面粗糙度值 3 3 采用合理的装夹和加工方式采用合理的装夹和加工方式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（二）减小载荷及其变化（二）减小载荷及其变化 合理选择刀具几何参数、切削用量以减小切合理选择刀具几何参数、切削用量以减小切削力，减
12、少受力变形。削力，减少受力变形。 毛坯分组，一次调整中加工的毛坯余量比较毛坯分组，一次调整中加工的毛坯余量比较均匀，较小切削力的变化，减小复映误差。均匀，较小切削力的变化，减小复映误差。 残余应力也称内应力，是指在没有外力作用下或除去外力后工件内残余应力也称内应力，是指在没有外力作用下或除去外力后工件内存留的应力。存留的应力。 具有残余应力的零件处于一种不稳定的状态。它内部的组织有强烈具有残余应力的零件处于一种不稳定的状态。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。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，零件也会不断地缓慢地进行这种变化，直到残余应即使在常温下，
13、零件也会不断地缓慢地进行这种变化，直到残余应力完全松弛为止。在这一过程中，零件将会翘曲变形，原有的加工精力完全松弛为止。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。度会逐渐丧失。 残余应力是由于金属内部相邻组织发生不均匀的体积变化而产生残余应力是由于金属内部相邻组织发生不均匀的体积变化而产生的，促成这种变化的主要因素来自冷、热加工。的，促成这种变化的主要因素来自冷、热加工。工件残余应力引起的变形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。（一）毛坯制造和热处理过程产生的残余应力。 （二）冷校直带来的残余应力。（二）冷校直带来的残余应力。 （三）切削加工带来的
14、残余应力（三）切削加工带来的残余应力 工件残余应力引起的变形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。（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。大，则在毛坯内部产生的残余应力也愈大。 具
15、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变化。当加工时某些表面被切去一层金属后，短时间内还看不出什么变化。当加工时某些表面被切去一层金属后，就打破了这种平衡，残余应力将重新分布，零件就明显地出现了变形。就打破了这种平衡，残余应力将重新分布，零件就明显地出现了变形。工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形（二）冷校直带来的残余应力。（二）冷校直带来的残余应力。 弯曲的工件（原来无残余应力）要校直，必须使工件产生反向弯
16、弯曲的工件（原来无残余应力）要校直，必须使工件产生反向弯曲，并使工件产生一定的塑性变形。曲，并使工件产生一定的塑性变形。 当工件外层应力超过屈服强度，其内层应力还未超过弹性极限。当工件外层应力超过屈服强度，其内层应力还未超过弹性极限。 去除外力后，由于下部外层已产生拉伸的塑性变形，故里层的去除外力后，由于下部外层已产生拉伸的塑性变形，故里层的弹性恢复受到阻碍。结果上部外层产生残余拉应力，上部里层产生弹性恢复受到阻碍。结果上部外层产生残余拉应力，上部里层产生残余压应力；下部外层产生残余压应力，下部里层产生残余拉应力。残余压应力；下部外层产生残余压应力，下部里层产生残余拉应力。 冷校直后虽然弯曲减
17、小了，但内部组织处于不稳定状态。冷校直后虽然弯曲减小了，但内部组织处于不稳定状态。 工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形六、工件残余应力引起的变形六、工件残余应力引起的变形( (续续) )（二）冷校直带来的残余应力（二）冷校直带来的残余应力工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形（三）切削加工带来的残余应力（三）切削加工带来的残余应力 切削过程中产生的力和热，被加工工件表面层产切削过程中产生的力和热，被加工工件表面层产生残余应力。生残余应力。工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形减少残余应力可采取的措施：减少残余应力可采取的措施： 1 1）增加消除内应力的热处理工序）增加消除
18、内应力的热处理工序 如：对焊接、锻、铸件进行退火或回火；零件淬火后进行回如：对焊接、锻、铸件进行退火或回火；零件淬火后进行回火；对精度高的零件如床身、丝杠、箱体等进行实效处理。火；对精度高的零件如床身、丝杠、箱体等进行实效处理。 2 2）合理安排工艺过程）合理安排工艺过程 如：粗、精加工分开在不同的工序中进行。如：粗、精加工分开在不同的工序中进行。 3 3）改善零件结构，提高零件的钢性，使壁厚均匀等。）改善零件结构，提高零件的钢性，使壁厚均匀等。工件残余应力引起的变形工件残余应力引起的变形 为什么机床部件的加载和卸载过程的静刚度为什么机床部件的加载和卸载过程的静刚度曲线既不封闭又不重合，且机床
19、部件的刚度值曲线既不封闭又不重合，且机床部件的刚度值远比其按实体估计的要小得多？远比其按实体估计的要小得多？例题分析例题分析 刚度特性是曲线不是直线，说明变形不单纯是弹性变形，卸载曲刚度特性是曲线不是直线，说明变形不单纯是弹性变形，卸载曲线回原点（不封闭）说明有剩余变形。线回原点（不封闭）说明有剩余变形。 加载、卸载过程中的变形都要消耗摩擦功，因此加载、卸载曲线加载、卸载过程中的变形都要消耗摩擦功，因此加载、卸载曲线不重合，两者所包围的面积为消耗的摩擦功和塑性变形所消耗的能量。不重合，两者所包围的面积为消耗的摩擦功和塑性变形所消耗的能量。 机床部件（如刀架）的刚度若按实体外形尺寸来估计一般是很
20、大机床部件（如刀架）的刚度若按实体外形尺寸来估计一般是很大的。实际上部件是由许多零件组成，部件受力后零件间首先要消除间的。实际上部件是由许多零件组成，部件受力后零件间首先要消除间隙，然后零件结合面间要产生接触变形，部件中间刚度最薄弱的零件隙，然后零件结合面间要产生接触变形，部件中间刚度最薄弱的零件本身也产生较大的变形。以上三种变形都叠加反映到部件变形上，部本身也产生较大的变形。以上三种变形都叠加反映到部件变形上，部件变形显得较大，因而部件刚度就比我们想像的小多了。件变形显得较大，因而部件刚度就比我们想像的小多了。参考答案参考答案 在外圆磨床上磨削薄壁套筒，工件安装在夹具上，在外圆磨床上磨削薄壁
21、套筒，工件安装在夹具上，当磨削外圆至图纸要求的尺寸（合格），卸下工件后当磨削外圆至图纸要求的尺寸（合格），卸下工件后发现工件外圆呈鞍形，试分析造成此项误差的原因。发现工件外圆呈鞍形，试分析造成此项误差的原因。例题分析例题分析 由于工件的刚性差，夹紧时工件因夹紧变形呈腰鼓状。由于工件的刚性差，夹紧时工件因夹紧变形呈腰鼓状。 磨削时，工件中部的余量加大，多磨去。磨至尺寸要求磨削时，工件中部的余量加大，多磨去。磨至尺寸要求后卸下工件，因弹性恢复，使工件呈鞍形。后卸下工件，因弹性恢复，使工件呈鞍形。参考答案参考答案 若工件的刚度很大且车床的若工件的刚度很大且车床的K(K(床头床头)K()K(尾架尾架)
22、 )的条件的条件下，如图所示的三种加工情况下，试分析加工后工件下，如图所示的三种加工情况下，试分析加工后工件外圆或端面的几何形状误差。外圆或端面的几何形状误差。例题分析例题分析（1 1）锥形）锥形 （2 2）中凸）中凸 （3 3）双曲面）双曲面参考答案参考答案 在大型立车上加工盘形零件的端面及外圆时，在大型立车上加工盘形零件的端面及外圆时，因刀架较重，试推想由于刀架自重可能会产生怎因刀架较重，试推想由于刀架自重可能会产生怎样的加工误差？样的加工误差？例题分析例题分析 刀架自重引起横梁变形，加工端面时，刀架移刀架自重引起横梁变形，加工端面时，刀架移动使横梁各处变形不一致，因此工件表面加工后成动使
23、横梁各处变形不一致，因此工件表面加工后成中凹形状，加工外圆时，随着刀架下伸使悬臂加长中凹形状，加工外圆时，随着刀架下伸使悬臂加长而刚度变小。外圆产生锥度，直径上小下大。而刚度变小。外圆产生锥度，直径上小下大。参考答案参考答案1 1 刚度的概念、刚度的概念、 工艺系统刚度的计算工艺系统刚度的计算2 2 工艺系统刚度对加工精度的影响工艺系统刚度对加工精度的影响 （1 1）切削力作用点位置（机床的变形、工件的变形）切削力作用点位置（机床的变形、工件的变形） （2 2）切削力大小）切削力大小 （3 3）夹紧力和重力）夹紧力和重力 （4 4）传动力和惯性力）传动力和惯性力3 3 机床部件刚度机床部件刚度4 4 相关措施相关措施5 5 工件残余应力工件残余应力小结小结
