工艺系统受力变形对加工精度的影响.ppt

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 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而kxt Fy yxtkjc Fy yjc kdj Fy ydjkjj Fy yjj kg Fy yg 所以工艺系统刚度的一般式为 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 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 影响机床部件刚度的因素 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 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 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 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 ap 实际加工面 毛坯面 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 二 由于切削力变化引起的加工误差 误差复映 误差复映的大小用误差复映系数 表示 w m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而Y1 Fymax KxtY2 Fymin Kxt又Fy CFzapf0 75Y1 CFzap1f0 75 KxtY2 CFzf0 75ap2 Kxt w y1 y2 CFzf0 75 Kxt ap1 ap2 CFzf0 75 Kxt m A 径向切削力系数 反映切削力大小 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 计算如下 1 2 3 n CFz Kxt n f1 f2 f3 fn 0 75由于 是远小于1的系数 所以经多次走刀后 已降到很小值 加工误差也可得到逐渐减小而达到零件的加工精度要求 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 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 三 惯性力 传动力 重力和夹紧力所引起的加工误差 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 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 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 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 工艺系统刚度定义 工艺系统刚度计算的一般式 工艺系统受力变形对加工精度有什么影响 影响机床部件刚度的因素 教材P120 2 13 教材P120 2 15 3工艺系统受热变形对加工精度的影响 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 一 工艺系统的热源 内部热源 摩擦热 切削热 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 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 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 预热 热平衡 冷却 温度T 时间t 二 机床热变形引起的加工误差 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 11 10 6 床身的变形量为 tL2 8H 11 10 6 1 31202 8 620 0 022mm 床身导轨的直线度明显受到影响 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 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 五 减少工艺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 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 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 工艺系统热平衡的概念 减少工艺系统热变形的主要途径 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 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 1 塑 弹 3 2 塑 弹 塑 3 2 弹 收缩很慢 1 弹 收缩很慢 弹 收缩较快 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 三 减少或消除内应力的措施 1 合理设计零件结构 缩小厚度尺寸差异 2 采取时效处理 自然 人工 振动时效 3 合理安排工艺过程 如粗精加工分开 第12次作业 习题集P84 15 16 内应力产生的原因 减少和消除内应力的措施 教材P119 2 5 2 7 第二章作业汇总 第9次作业 影响加工精度的原始误差有哪些 什么是加工原理误差 为什么有