工艺系统刚度产生的误差原理与分析

它外力的作用 ,也能使压移量减小到最低限度 。故
工艺系统受力压移产生的加工误差 ,主要决定于系
统本身的刚度 。
由于工艺系统是由机床 、夹具 、刀具和工件等许
多零部件组成的 ,其受力与变形 (或压移) 之间的关 系 ,与一般物体的刚度有所不同 ,主要特点是 :
(1) 接触面刚度差 。由于配合零件表面具有宏 观的形状误差和微观的粗糙度 ,因此 ,实际接触面积 只是理论接触面积的一小部分 ,真正处于接触状态 的只是个别凸峰 ,所以 ,接触表面随外力作用的增 加 ,将产生弹性和塑性变形 ,使接触面相互靠近 ,即 产生相对位移 。这就是部件刚度远比实体零件刚度
图 3 反向走刀车削细长轴
此方法以反向走刀为中心 ,采取了一系列措施 。 具体步骤是用卡盘通过一开口钢丝圈将工件夹紧 。 由于卡夹接触面积小 ,工件能在卡爪内自由摆动 ,避 免了卡盘与后顶尖不同轴时产生变形 。车床尾顶尖
的过高要求 。 (3) 提高刀具刚度可从刀具材料 、结构和热处理
方面采取措施 。 例如采用硬质合金刀杆以增强刚度 。也可增加
低的原因 ; (2) 系统中的薄弱零件 ,受力后极易产生较大的
变形 ; (3) 接触面之间的摩擦力 ,在加载时会阻止变形
的增加 ,卸载时不会阻止变形的恢复 。 (4) 有的接触面存在间隙和润滑油膜 。 因此 ,一个部件受力压移的大致过程 ,首先是消
除各有关配合零件之间的间隙和挤掉其间油膜的变
形 ,接着主要是部件中薄弱环节零件的变形 ,最后则 是其他组成零件本身的弹性变形和相互联接面的弹
座和尾座上的力分别为 : F头座 和 F尾座 ,则由力的平
42
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
第 31 卷第 1 期 电子工业专用设备 2002 年 3 月
按此公式算出工件各点的位移量表明 ,工件两 头小 ,中间大 ,呈腰鼓形 。
综合以上分析 ,在一般情况下 ,工艺系统的总压 移量应为上述两种情况压移量的叠加 ,即 :
y系统
=
Fp〔k刀1架
+
1 (l k头座
l
x) 2 +
1( k尾座
x )2 l
+
(l
- x) 2 x2〕 3 EIl
则
k系统
43
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
Vol. 31 No. 1 Equipment for Electronic Products Manufacturing March 2002
Abstract : According to the analysis of the strain ,the strength to the process system. Elaborating the influence , the rigidity of process system to the precision requirement of machining of job and simply bringing up the way to improve the rigidity of the process system. Keywords : Process system ; Rigidity ; Error
刚度 。 例如车细长轴时常采用跟刀架 ,工作初 ,先在工
件尾端车出一段外圆面以便于安装在间隔 90°的 3 个支承跟刀架上 。车削时 ,工件外圆面被夹持在刀
具和 3 个支承块之间 ,形成两对相互平衡的径向力 , 从而有效地减小了弯曲变形和振动 。另可用反方向 车削法 ,能有效地提高工件刚度 ,减小工件的弯曲变 形和振动 ,如图 3 所示 。
在切削加工过程中 ,工艺系统的各部分在各种
外力作用下 ,会在各个受力Leabharlann Baidu向产生相应的变形 (或
收稿日期 : 2001 - 11 - 18 作者简介 : 李海明 (1966 —) ,男 ,甘肃天水人 ,助工 ,主要从事机械加工工艺设计工作 。
41
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
假设工件细长 ,刚度很低 ,机床 、夹具 、刀具在切 削推力作用下的位移可以忽略不计 ,则工艺系统的 压移完全等于工件的变形量 。如图 2 所示 。
图 2 工件刚度很差时压移量随推力点变化的情况
按材料力学的计算公式 ,在切削点 x 处的工件
变形量为 :
y工件
=
Fp 3 EI
(l -
x) 2 x2 l
The Principle and Analysis of the Error Produced by the Rigidity of the process System
LI Hai2ming
(The 45th Electronic Institute of MII , Yanjiao ,Beijing East 101601 , China)
图 1 压移示意
由图可知 ,离前顶尖 x 处系统的总压移为 :
y系统 = y刀架 + yx
式中 : yx = y头座 +δx 。由相似三角形 O1′AB 及 O1′CO2′得 :
δx =
x l
( y尾座
-
y头座 )
故:
y系统 = y刀架 + y头座 +
x l
(
y尾座
-
y头座)
(1)
作用在刀架上的力就是推力 Fp 。设作用在头
=
1 k刀架
+
1 (lk头座 l
x) 2
1 1(
k尾座
x l
)
2
+
( l - x) 2 x2 3 EIl
由此可见 ,工艺系统的刚度 ,随切削推力作用点 位置的变化而变化 ,加工后的工件 ,各横截面的直径
也不相同 ,可能造成锥形 、鞍形 、鼓形等形状误差 。
3 提高工艺系统刚度的途径
提高工艺系统刚度途径可归纳为以下几方面 : (1) 提高配合面的接触刚度 。 由于部件的刚度大大低于相同外形尺寸的实体 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 。提高各零件接合表面的几何形状精度和 降低粗糙度 ,就能提高接触刚度 。 提高机床导轨面的刮研质量 ,提高顶尖锥体与 主轴和尾座锥孔的接触质量 ,多次修研工件中心孔 等 ,都是实际生产中为提高接触刚度经常采用的工 艺措施 。 生产实践证明 ,合理调整和使用机床可以增加 接触刚度 。如正确调整镶条和使用锁紧机构 ,可取 得良好效果 。 (2) 设置辅助支承或减小悬伸长度以提高工件
(4) 采用合理的安装方法和加工方法以提高工 艺系统的刚度 。
第 31 卷第 1 期
电子工业专用设备
2002 年 3 月
Vol. 31 No. 1
Equipment for Electronic Products Manufacturing
March 2002
设备制造工艺
工艺系统刚度产生的误差原理与分析
李海明 (信息产业部电子第四十五研究所 ,北京东燕郊 101601)
性变形和塑性变形参加进来 。
从一个部件受力压移和每个零件变形的关系来
看 ,凡是外力能传达到的每个环节 ,都有不同程度的 变形汇总到部件或整个工艺系统的总压移中去 。因
此 ,工艺系统在受力情况下的总压移量 y系统是各组 成部分变形和位移的叠加 ,即 :
y系统 = y机床 + y夹具 + y刀具 + y工件
而
k系统
=
Fp y系统
k机床
=
Fp y机床
k夹具
=
Fp y夹具
k刀具
=
Fp y刀具
k工件
=
Fp y工件
故
k系统 =
1 k机床
+
1 k夹具
1 +
1 k刀具
+
1 k工件
这就是说 ,知道了工艺系统各组成环节的刚度 以后 ,工艺系统刚度即可求出 。
2 工艺系统刚度对零件加工精度的影响
由于受力点位置变化而产生的几何形状误差 , 工艺系统因受力点位置的变化 ,其压移量也随之变 化 ,因而造成工件的形状误差 。例如 ,车床两顶尖装 夹车外圆 。设工件刚度很大 ,在切削推力 Fp 作用 下的变形可忽略不计 ,则工艺系统的总压移取决于 机床的头座 、尾座和刀架的压移 。图 1 所示为刀具 距离前顶尖 x 时 ,工艺系统的变形情况 。
工艺系统的压移破坏了刀具与工件之间的正确位 置 ,造成工件在尺寸、形状和表面位置方面的加工误差。
工艺系统受力变形引起的加工误差与外力有 关 ,但主要决定于系统的刚度 。
1 工艺系统的刚度
刚度是物体抵抗外力使其变形的能力 ,用 k 表 示 ,即 :
k
=
F y
式中 : F —外力 , y —外力作用方向上的变形量 。
衡关系得
F头座
=
Fp
(l
l
x)
F尾座 = Fp
x l
而刀架 、头座 、尾座的位移量分别为 :
y刀架
=
Fp k刀架
y头座
=
F头座 k头座
=
Fp k头座
(l l
x)
y尾座
=
F头座 k头座
=
Fp k头座
x l
代入式 (1) ,得工艺系统的压移量为 :
y系统
=
Fp k刀架
+
Fp k头座
l
l
x+
x ( Fp l k尾座
x l
-
Fp l k头座 l
x)
=
1 Fp [ k刀架
+
1 (l k头座
l
x) 2
+
1( k尾座
x l
)2]
(2)
则工艺系统的刚度为 :
k系统
=
Fp y系统
=
1 k刀架
1
+
1 (l k头座
l
x) 2 +
1 ( x)2 k尾座 l
由此可知 ,工艺系统的刚度随进给位置 x 的改 变而改变 。刚度大则压移小 ;刚度小则压移大 。由 于工艺系统的压移量是 x 的二次函数 ,故车成的工 件母线不直 ,两头大 ,中间小 ,呈抛物面形 。
改用弹性顶尖 。当工件受热伸长或因轴向力挤压 刀具外形尺寸以增强刚度 。
时 ,顶尖能自动后退 ,避免了工件受阻弯曲 。采用间 隔 90°的三支承跟刀架 ,增加了工件刚度 ,改变走刀 方向 ,使刀具由床头向车尾反向走刀 。由于细长轴 左端固定在卡盘内 ,右端可以伸缩 ,靠近车刀处又有 跟刀架支承 ,平衡着推力 。故反向走刀时 ,工件内部 只有卡盘到车刀一段产生拉应力 ,不易产生弹性弯 曲变形和振动 。也可采用同截面内多刀车削 ,使方 向相反的切削推力互相均衡 ,避免切削推力对刚度
k系统
=
Fp y系统
上式可改写为 y系统 = Fp/ k系统 。它说明 ,当系 统刚度一定时 ,作用在系统上的切削推力越大 ,则系
统的压移也越大 ;切削推力越小 ,压移也越小 。当切
削推力一定时 ,由受力压移产生的误差决定于系统
刚度 ,系统刚度大 ,压移量小 ; 系统刚度小 ,压移量
大 。但是 ,若系统刚度足够大时 ,尽管有切削力和其
Vol. 31 No. 1 Equipment for Electronic Products Manufacturing March 2002
压移) ,但其中对加工精度影响最大的是沿加工面法 向的推力 Fp ,以及沿 Fp 方向引起的压移 y系统 。因 此 ,工艺系统刚度 ( k系统) 一词 ,主要是指加工面法向 的刚度 。故 :
工艺系统的误差有多种 ,其中刚度产生的误差 直接影响着零件的加工精度 。分析和研究工艺系统 刚度及其产生的误差 ,是控制零件加工误差 ,保证和 提高零件加工精度的理论基础 。机床 —夹具 —工件 —刀具组成的工艺系统是一弹性系统 。加工时 ,工 艺系统在切削力和其它外力作用下 ,各组成环节会 发生弹性变形 ;同时 ,各环节接合处还会发生位移 。 这种弹性变形和位移构成的总位移 ,称为工艺系统 的压移 。
摘 要 : 根据对工艺系统受力变形的分析 ,阐述了工艺系统刚度对零件加工精度的影响 ,并简要提 出了提高工艺系统刚度的办法 。 关键词 : 工艺系统 ; 刚度 ; 误差 中图分类号 : TH161 + 13 文献标识码 : B 文章编号 : 1004 - 4507 (2002) 01 - 0041 - 04