工艺系统受力变形对加工精度的影响

• （四）合理装夹工件。
必须特别注意选择适当的夹紧方法。如三爪夹薄壁套， 薄板磨削
第10次作业：
• ①工艺系统刚度定义，工艺系统刚度计 算的一般式 • ②工艺系统受力变形对加工精度有什么 影响？ • ③影响机床部件刚度的因素 • ④教材P120：2-13 • ⑤教材P120：2-15
§3工艺系统受热变形对加工精度的影响
3、机床部件刚度
• 机床部件由许多零件组成，机床部件刚度迄 今尚无合适的简易计算方法，目前主要还是用 实验方法来测定机床部件刚度。
分析实验曲线可知，机床部件刚度具有以下特点：
• （1）变形与载荷不成线性关 系； • （2）加载曲线和卸载曲线不 重合，卸载曲线滞后于加载曲 线。两曲线线间所包容的面积 就是加载和卸载循环中所损耗 的能量，它消耗于摩擦力所作 的功和接触变形功； •（3）第一次卸载后，变形恢复不到第一次加载的起点， 这说明有残余变形存在，经多次加载卸载后，加载曲线起 点才和卸载曲线终点重合，残余变形才逐渐减小到零
• 1）控制室温。恒温精度一股控制在±1℃，精密 级为±0.5℃，超精密级为±0.01℃。平均温度 一般为20 ℃ ，冬季可17 ℃ ，夏季23 ℃ 。 • 2）喷油冷却整台机床是控制温度变化的先进方 法。 • 3）机床预热，达到热平衡后加工。办法：
1）加工前，机床高速空运转； 2）人为地在机床的适当部位附设加热源预热； 3）精密加工机床应尽量避免较长时间的中途停车。
• 第11次作业：①工艺系 统热平衡的概念②减少 工艺系统热变形的主要 途径 • ③教材P121：2-16
§5工件内应力对加工精度的影响
• 内应力指在没有外加载荷的情况下，仍 然残存在工件内部的应力。内应力是由 于金属内部组织发生了不均匀的体积变 化而产生。工件在铸造、锻造及切削加 工后，内应力处于暂时平衡，可以保持 形状精度的暂时稳定，但只要外界条件 发生变化，暂时平衡会被打破而进行重 新分布，这时工件将发生变形，甚至造 成裂纹等。
影响机床部件刚度的因素
１、连接表面接触变形的影响 在外力作用下，接触处产生较大的接触应力，引 起接触变形。影响接触变形的因素主要是零件接触表 面的形状精度、表面粗糙度和零件材料的硬度。 2、部件中薄弱零件的影响 某些刚度很低的零件受力后会产生较大的变形， 使整个部件的刚度降低。如车床溜板部件中的楔铁。 3、间隙和摩擦力的影响 间隙：载荷方向变化时有影响（如镗床、铣床） 摩擦力：载荷变动时影响较为显著。加载时，摩 擦力阻止变形增加；卸载时，摩擦力却阻止变形减少。
• ε =△w／ △m
而 Y1=Fymax/Kxt Y2=Fymin/Kxt 又 Fy=λCFzapf0.75 ε∑=ε1×ε2×ε3×.....×εn 0.75/K 0.75a /K Y1=λCFzap1f Y2=λCFzf =(λCFz/Kxt)n( f1×f2×f3×.....×fn)0.75 xt p2 xt 由于ε是远小于1的系数，所以经多次走 △w＝y1－y2 刀后，ε已降到很小值，加工误差也可得 =λCFzf0.75/Kxt (ap1－ap2)=λCFzf0.75/Kxt △m 到逐渐减小而达到零件的加工精度要求。
§3工艺系统受力变形对加工精度的影响
• 工艺系统在切削力、传动力、惯性力、夹紧力以及重 力等的作用下，会产生相应的变形。这种变形将破坏 刀刃和工件之间已调整好的正确位置关系，从而产生 加工误差。
一、基本概念
• 一般刚度：k=F/y
即作用力F与其引起的在作用力方向上的变形量y的比值。
• 工艺系统的受力变形，主要是研究对加工精度影响最大 的敏感方向，因此，
内部热源（摩擦热、切削热）
（二）工艺系统的热平衡
• 当单位时间内传入和散发的热量相等时， 温度不再升高，工艺系统达到热平衡状态。
温度T
预热 热平衡 冷却
• 热平衡状态下，温度保持在一相对固定数值上，热变 形稳定，加工误差有规律。 • 精密加工应在热平衡之后进行。
时间t
二、机床热变形引起的加工误差
（一）工艺系统的热源
• 热源 外部热源（环境温度、热辐射）
切削热由切削层金属的弹性变形和塑性变形以及 刀具与工件、切屑间的摩擦所产生，由工件、切屑 、 刀具、夹具、机床、切削液以及周围介质传出。是刀 具和工件热变形的主要热源。 摩擦热主要是机床和液压系统中运动部件产生，是 机床热变形的主要热源。 外部热源对大型和精密工件的加工影响比较显著。
五、减少工பைடு நூலகம்系统热变形的主要途径
• • • • （一）减少发热和隔热 （二）加强散热能力 （三）用热补偿法减少热变形的影响 （四）控制温度的变化
（一）减少发热和隔热
• 1）分离热源。如将电动机、变速箱、液压系 统、油箱等从主机中分离出去。 2）减少机床各运动副的摩擦热。从结构和润 滑方面改变摩擦特性，如静压轴承、静压导轨、 低粘度润滑油、油雾润滑等。 3）隔开热源。用隔热材料将发热部件和机床 大件隔开。 4）减少切削液和切屑发热的影响。对切屑， 及时消除、冷却或在工作台上装隔热板。对切 削液的影响可采用恒温切削液。例某螺纹磨床 采用恒温切削液沐浴工件。
二、工艺系统受力变形引起的加工误差
• （一）由于切削力着力点位置变化引起 的工件形状误差 • （二）由于切削力变化引起的加工误差 • （三）惯性力、传动力、重力和夹紧力 所引起的加工误差
（一）由于切削力着力点位置变 化引起的工件形状误差
• 1、在车床两顶尖间车削短而粗的光轴
• 由上式可以看出，工艺系统的变形是随着着力点位置变化 而变化的，工件产生圆柱度误差。
（三）惯性力、传动力、重力 和夹紧力所引起的加工误差
• 1、惯性力 高速旋转的零部件的不平衡将产生 离心力，离心力在一转中不断地变更方 向，因此它在Y方向的分力有时和切削分 力同向，有时则反向，从而破坏工艺系 统各成形运动的位置精度。
（三）惯性力、传动力、重力 和夹紧力所引起的加工误差
• ２、传动力 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 拨盘的每一转中经常改变方向，其在方 向的分力有时和切削分力同向，有时则 反向，产生的加工误差与惯性力相似。 为此，在加工精密零件时，改用双爪拨 盘或柔性连接装置带动工件旋转。
工艺系统的刚度：kxt=Fy/yxt
即零件加工表面法向分力Fy与刀具在切削力（Fx、Fy、Fz的合 力）作用下，相对工件在该方向的位移yxt的比值。
工艺系统的总变形量应是：yxt=yjc+ydj+yjj+yg 所以工艺系统刚度的一般式为： 而 kxt=Fy/yxt
kjc =Fy/yjc, kdj=Fy/ydj kjj=Fy/yjj, kg=Fy/yg
▲几种机床热变形的趋势。
三、工件热变形引起的加工误差
• 切削热是工件热变形的主要热源。（传递给工 件的热量：车10%~30%，孔加工50%，磨80%）。 大型精密零件还受环境温度的影响。 • 不同的加工方法，工件材料、结构尺寸，工件 的受热变形不同
细长轴在顶尖间车削时，形成圆柱度误差。 精密丝杠磨削时，形成螺距误差； 导轨面磨削时，形成直线度误差（中凹）。 薄壁环磨削时热变形的影响。
1（塑→弹） （塑） 3
1 （弹，收缩很慢）
（弹，收 缩较快）
3
2 （塑→弹）
2 （弹，收缩很慢）
二、冷校直引起的内应力
• 细长轴件在加工中常安排冷校直工序，这种方 法简单方便，但会带来内应力。 • 冷校直后，内应力处于一种相对的暂时平衡状 态，只要外界的条件变化（比如磨削），就会 使内应力重新分布而使工件产生变形，（原向 弯曲，但弯曲度有所改善）。 • 因此，精密零件的加工不允许冷校直，可采用 加大加工余量或热校直的方法。
• 对加工精度的影响，最主要的是主轴部件、床身 导轨以及两者相对位置等方面的影响。
▲车床 主要热源：主轴箱中的摩擦热。 变形：主轴抬高或倾斜。 ▲大型平面磨床 主要热源：工作台液压驱动装置的发热、电池吸盘的发热。 变形：工作台中凸。
假设床身长L=3120mm，高H=620mm，温差 △t=1℃，铸铁线膨胀系数α=11×10-6， 床身的变形量为△=α△t L2/8H=11×10-6×1×31202÷8÷620=0.022mm..。床身导轨 的直线度明显受到影响。
一、毛坯的内应力
• 在铸、锻、焊以及热处理等热加工中，由于各 部分热胀冷缩不均匀以及金相组织转变时的体 积变化，使毛坯内部产生了相当大的内应力。 • 以铸件注后的冷却过程中产生内应力为例， 金属自高温降到室温时，经历两种状态： 塑性状态：金属从凝固终止到再结晶温度的状 态，延伸率很高，塑性好，在较小的外力下就 发生塑性变形，且内应力自行消除。 弹性状态：低于再结晶温度的金属处于弹性状 态，变形后应力继续存在。 下面用框形铸件来分析应力形成
四、减少工艺系统受力变形的措施
• （一）提高接触刚度
是提高工艺系统刚度的关键。常用的方法是改善 主要零件接触表面的配合质量。另一措施是预加载荷， 以消除间隙，增大实际接触面，减少受力后的变形量。
• （二）提高工件刚度
主要措施是缩小切削力作用力点到工件支承面间的 距离。
• （三）提高机床部件刚度
常采用一些辅助装置。
（三）惯性力、传动力、重力 和夹紧力所引起的加工误差
• ３、夹紧力 由于刚度较低或夹紧力着力点不当，引起 工件变形，造成加工误差。 ４、重力 工艺系统中，由于零部件的自重也会引起 变形，造成加工误差。如龙门铣床、龙门刨床 刀架横梁的变形，镗床镗杆下垂变形等。如摇 臂钻床的摇臂在主轴箱自重的影响下所产生的 变形，造成主轴轴线与工作台不垂直。
四、刀具热变形引起的加工误差
• 切削热是刀具热变形的主要热源。 • 切削热传入刀具不多，但因刀具的工作部分体 积小，热容量有限，所以温度急剧升高（如高 速钢车刀刃部高达700~800℃，刀具热伸长量 达0.03~0.05mm)，因此对加工精度的影响不可 忽略。 • 特点是：切削初期变形大，断续切削时变形曲 线具有热胀冷缩双重特性。
R
（一）由于切削力着力点位置变 化引起的工件形状误差
2、在两顶尖间车削细长轴 此时工艺系统的变形完全取决于工件的变形， 工件产生腰鼓形形状误差。
（二）由于切削力变化引起的加工误差
• 由于被加工表面的几何形状误差或材料的硬度不均匀 引起切削力变化，从而造成加工误差。
毛坯面
实际加工面
•
a
p
理想加工面
由于毛坯存在圆度误差，导致 切削深度变化，切削分力变化， 形成了被加工表面圆度误差， 这种现象称为“误差复映”
误差复映
误差复映的大小用误差复映系数ε表示。
车削后工件的圆度误差：△w＝y1－y2 毛坯圆度的最大误差：△m=ap1－ap2 A---径向切削力系数，反映切削力 大小。 ε定量反映了工件经加工后毛坯误 差减小的程度。与A成正比，与Kxt成反 比。 若经多次走刀，总ε计算如下：
（二）加强散热能力
• 强制冷却（如风冷、水冷、循环润滑）。 例坐标镗床。 • 大型数控机床、加工中心都普遍使用冷 冻机对润滑油和切削液进行强制冷却， 以提高冷却的效果。
（三）用热补偿法减少热变形的影响
• 均衡机床的温度场，使机床产生均匀的 热变形以减少对加工精度的影响。
（四）控制温度的变化
• • • • • 一、概述 二、机床热变形引起的加工误差 三、工件热变形引起的加工误差 四、刀具热变形引起的加工误差 五、减少工艺系统热变形的主要途径
一、概述
• 在机械加工过程中，工艺系统在各 种热源的影响下，常产生复杂的变形， 破坏了工件与刀具的相对位置精度，造 成了加工误差。在某些精密加工中，由 于热变形引起的加工误差约占总加工误 差的40~70%，热变形降低了加工精度， 影响了加工效率。
工艺系统各部分刚度的确定
1、工件刚度 工艺系统中如果工件刚度相对于机床、刀 具、夹具来说比较低，在切削力的作用下，工 件由于刚度不足而引起的变形对加工精度的影 响就比较大，其最大变形量可按材料力学有关 公式估算。 2、刀具刚度 外圆车刀在加工表面法线（y）方向上的 刚度很大，其变形可以忽略不计。镗直径较小 的内孔，刀杆刚度很差，刀杆受力变形对孔加 工精度就有很大影响。刀杆变形也可以按材料 力学有关公式估算。