機(jī)械加工理論知識(shí)

1、第一章 機(jī)械加工精度及其控制14:2412 1彈性系統(tǒng)： 切削加工時(shí)，由機(jī)床、刀具、夾具、工件組成的工藝系統(tǒng)是彈性系統(tǒng)。2工藝系統(tǒng)總位移 1）彈性變形： 機(jī)械加工時(shí)，由于切削力、夾緊力以及重力、慣性力等的作用，工藝系統(tǒng)各部分產(chǎn)生的相應(yīng)的變形。 2）系統(tǒng)中各元件因其接觸處的間隙還會(huì)產(chǎn)生位移、 3）工藝系統(tǒng)總位移 彈性變形+位移=總位移 4）決定因素： 外力的大小和彈性系統(tǒng)抵抗外力及其變形的能力33剛度： 物體抵抗欲使其變形的外力的能力 4工藝系統(tǒng)剛度： 指工藝系統(tǒng)抵抗其變形的外力的能力。是指工件加工表面在切削力法向分力Fy的作用下，刀具相對工件在該方向位移y的比值。 yFyk 4 加工中影響加工

2、精度最大的是刀刃在加工表面法線方向的位移。因此計(jì)算時(shí)必須考慮此方向上的切削力和位移。法向位移y除了Fy分力影響外，F(xiàn)y、Fz也對它有影響。在K一定時(shí)，則Fy越大，則系統(tǒng)變形量越大。對加工精度影響越大。 若工藝系統(tǒng)剛度很大，盡管切削力等外力作用，也能使系統(tǒng)位移減少到最低限度。5加工誤差： 由于切削力等引起的工藝系統(tǒng)產(chǎn)生的彈性變形，使刀具和工件在靜態(tài)下調(diào)整好的相互位置，以及切削成形運(yùn)動(dòng)所需要的正確幾何關(guān)系發(fā)生變化，從而造成加工誤差。 56、舉例工件剛性差，在加工細(xì)長軸時(shí)出現(xiàn)中間粗，兩頭尖的情況（腰鼓形）如圖所示：無進(jìn)給磨削就車床加工剛性很好的工件，粗車后，再精車。有時(shí)不但不把刀橫向進(jìn)給，反而把它后

3、退一點(diǎn)，才能保證精度要求 6式中 y 工藝系統(tǒng)總變形； yjc 機(jī)床的受力變形； yjj 夾具的受力變形； yd 刀具的受力變形； yg 工件的受力變形。 切削加工時(shí)，工藝系統(tǒng)的有關(guān)部件在各種外力的作用下，會(huì)產(chǎn)生不同程度的變形，使刀具和工件的相對位置發(fā)生變化，從而產(chǎn)生相應(yīng)的加工誤差。 工藝系統(tǒng)在某處的法向總變形是各個(gè)組成環(huán)節(jié)在同一處的法向變形的迭加。 y= yjc + yjj +yd +yg （1）7 代入1式得工藝系統(tǒng)剛度與工藝系統(tǒng)各組成部分剛度之間的關(guān)系：11111jcjjdgkkkkk式中 k 工藝系統(tǒng)剛度； kjc 機(jī)床剛度； kjj 夾具剛度； kd 刀具剛度； kg 工件剛度。 由

4、工藝系統(tǒng)的剛度定義可知，機(jī)床剛度kjc 、夾具剛度kjj 、刀具剛度kd和工件剛度kg分別為： kjc =Fy/ yjc ， kjj = Fy/ yjj ， kd = Fy/ yd ， kg = Fy/ yg 8機(jī)床變形引起的加工誤差ydjytjywz工藝系統(tǒng)變形隨受力點(diǎn)變化規(guī)律FpAABBCCxLFAFByxx9機(jī)床的剛度是由各個(gè)部件的剛度決定的，其計(jì)算方法為： 設(shè)工件短而粗，剛度很大，其變形可以忽略不計(jì)，安裝在兩頂尖之間，在切削力Fy的作用下，床頭位置由A到A，尾座由B到B，刀架從C到C，其位移量分別為：ytj，ywz，ydj，中心線從AB移到AB。 徑向切削力為Fy，由Fy引起的頭架和尾

5、座處的受力為FA和FB，刀架受力為Fy。 在距離床頭X處，工件軸線移動(dòng)的距離為yx。tjwztjtjxyyLxyxyy10機(jī)床總的變形量： 根據(jù)剛度定義，Ktj，Kwz，Kdj分別為頭架、尾座和刀架的剛度，則：djtjwztjdjxjcyLxyyyyyytjAtjKFy wzBwzKFydjYdjKFy11工件變形引起的加工誤差工件為懸臂梁時(shí)：工件為懸臂梁時(shí)：EILFyyg33max3max3LEIyFKy加工后工件形狀為：12工件為簡支梁時(shí)：當(dāng)x=0或x=L時(shí)，yg=0，變形最小當(dāng)x=L/2時(shí)，變形最大，EIlFYyg483max13式中 yg 工件變形； E 工件材料彈性模量； I 工件截

6、面慣性矩； Fy工件受到的切削力 x 受力點(diǎn)到支承點(diǎn)的距離 L工件的長度14 切削加工中，由于毛坯本身的誤差（形狀或位置）使切削深度不斷變化，從而引起切削力的變化，促使工藝系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，因而工件表面上保留了與毛坯表面類似的形狀和位置誤差，但加工后殘留的誤差比毛坯誤差從數(shù)值上大大減少了，這一現(xiàn)象稱為“誤差復(fù)映”15v減少誤差復(fù)映的方法減少誤差復(fù)映的方法K越大，復(fù)映系數(shù) 越小進(jìn)給量f減少時(shí)，可以減小C，則 減小增加走刀次數(shù)減小毛坯誤差值v多次走刀總的的誤差復(fù)映系數(shù) 當(dāng)加工分幾次走刀時(shí)，每次的誤差復(fù)映系數(shù)為：n,2116應(yīng)用推廣應(yīng)用推廣v每一工件毛坯形狀誤差，都以一定復(fù)映系數(shù)形成工件的每一工件

7、毛坯形狀誤差，都以一定復(fù)映系數(shù)形成工件的加工誤差，這是用于切削余量不均引起的。加工誤差，這是用于切削余量不均引起的。v車削時(shí)，車削時(shí)，K很高時(shí)，很高時(shí)， 1，n次走刀，加工誤差下降很快次走刀，加工誤差下降很快，因此只在粗加工用來估算加工誤差，當(dāng)，因此只在粗加工用來估算加工誤差，當(dāng)K低時(shí)，則從實(shí)低時(shí)，則從實(shí)際出發(fā)，來提高加工精度。際出發(fā)，來提高加工精度。v尺寸分散。在大批分生產(chǎn)中，用調(diào)整法加工一批工件，尺寸分散。在大批分生產(chǎn)中，用調(diào)整法加工一批工件，如毛坯尺寸不一，則加工后工件仍有尺寸不一的誤差。如毛坯尺寸不一，則加工后工件仍有尺寸不一的誤差。v毛坯硬度不均勻，也會(huì)造成加工誤差。當(dāng)走刀次數(shù)一定毛

8、坯硬度不均勻，也會(huì)造成加工誤差。當(dāng)走刀次數(shù)一定時(shí)，如果一批毛坯材料的硬度差別很大，會(huì)使工件的尺寸時(shí)，如果一批毛坯材料的硬度差別很大，會(huì)使工件的尺寸分?jǐn)?shù)范圍擴(kuò)大，甚至超差。分?jǐn)?shù)范圍擴(kuò)大，甚至超差。17夾緊力影響a） b）薄壁套夾緊變形【例1】薄壁套夾緊變形 解決：加開口套18【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削 解決：加橡皮墊1914:242014:242114:242214:2423【例】龍門銑橫梁龍門銑橫梁變形龍門銑橫梁變形補(bǔ)償重力影響解決：變形補(bǔ)償2425傳動(dòng)力與慣性力影響傳動(dòng)力對加工精度的影響zlRyYFpFcFcdFcdyra）OOr0yYFpAFcdrcd=Fcd / kcOFcFc /

9、 kcFp / kcb）O26 靜態(tài)測定法： 在機(jī)床不工作狀態(tài)，模擬車削時(shí)的受力的受力情況對機(jī)床施加靜載荷，然后測出機(jī)床部件在不同載荷下的變形，作出各部件的剛度特性曲線并計(jì)算剛度。27 下圖是對一車床進(jìn)行3次加載和卸載循環(huán)，繪制了他的剛度曲線。車床刀架變形曲線y（m）10203040500123F（KN）28v 非線形關(guān)系，不完全是彈性變形v 加載和卸載曲線不重合，所圍面積表示克服摩擦和接觸塑性變形所作功v 存在殘余變形，反復(fù)加載卸載后殘余變形0v 機(jī)床部件剛度比按實(shí)體估算值小許多，表明其變形受多種因素影響分析剛度曲線的特點(diǎn)：工作狀態(tài)測定法2930v合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 設(shè)計(jì)工藝裝備時(shí)，盡量減少連

10、接面數(shù)目，注意剛度的匹配，防止局部低剛度環(huán)節(jié)出現(xiàn)，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件、支承件時(shí)，合理設(shè)計(jì)零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀。 v提高連接表面接觸剛度 提高機(jī)床部件中零件接合表面的接觸質(zhì)量 給機(jī)床部件預(yù)加載荷 提高工件定位基準(zhǔn)的精度和降低表面粗糙度值。v采用輔助支承（中心架，跟刀架，鏜桿支承等）31v采用合理裝夾和加工方式支座零件不同安裝方法32定義： 外部作用力去除后工件內(nèi)存留的應(yīng)力特點(diǎn)： 具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，它內(nèi)部的組織有強(qiáng)烈的傾向要恢復(fù)到一個(gè)穩(wěn)定的沒有應(yīng)力的狀態(tài)，即使在常溫下，零件也會(huì)不斷的緩慢地進(jìn)行這種變化，直到殘余應(yīng)力安全松弛為主，在這一過程中，零件將會(huì)翹曲變形，原有的加工精度會(huì)逐漸喪失。來

11、源：冷、熱加工。33原因： 在鑄、鍛、焊、熱處理等加工過程中，由于各部分冷熱收縮不均勻，以及金相組織的體積變化，使毛坯內(nèi)部產(chǎn)生相當(dāng)大的殘余應(yīng)力。例1： 下圖表示一個(gè)內(nèi)外壁厚相差較大的鑄件，澆注后，冷卻過程如下： 壁A、C較薄，散熱容易，冷卻快。壁B冷卻慢，當(dāng)A、C從塑性狀態(tài)冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，B還處于塑性狀態(tài)，這時(shí)A、C收縮時(shí)B不起阻擋變形的作用，鑄件內(nèi)部不會(huì)產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。34 當(dāng)B冷卻到彈性狀態(tài)時(shí)，A、C的溫度已經(jīng)降低很多，收縮速度很慢，但B收縮快，所以收到A、C的阻礙，壁B受拉應(yīng)力，A、C受壓應(yīng)力，以保持平衡。 在C上開一小口，C上壓應(yīng)力消失，在A、B內(nèi)應(yīng)力作用力，內(nèi)應(yīng)力重新分布，達(dá)到平衡，工

12、件翹曲。35例2： 機(jī)床床身鑄件，為提高導(dǎo)軌面的耐磨性，采用局部激冷的工藝使他冷卻更快一些，這樣可以獲得高的硬度，但鑄件內(nèi)應(yīng)力更大，導(dǎo)軌表面 經(jīng)粗加工刨去一層，引起內(nèi)應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生彎曲變形，新平衡過程需較長時(shí)間，導(dǎo)軌精加工后除去大部分變形，但內(nèi)部還在變化，合格的導(dǎo)軌面喪失原有的精度。36冷校直方法：在細(xì)長軸原有變形的相反方向上加力F，使工件向相反方向彎曲，產(chǎn)生塑性變形，達(dá)到校直的目的細(xì)長軸彎曲原因，經(jīng)軋制的材料存在內(nèi)應(yīng)力，經(jīng)車削后，此內(nèi)應(yīng)力重新分布產(chǎn)生彎曲。冷校直方法F37冷校直后應(yīng)力分析：壓拉加載壓壓拉拉卸載冷校直引起的殘余應(yīng)力v當(dāng)F作用上應(yīng)力分布如圖 軸心線一上產(chǎn)生壓應(yīng)力（） 軸心線以

13、下產(chǎn)生拉應(yīng)力（+）v當(dāng)F去除后，變形回復(fù) 內(nèi)外金屬相互牽引、應(yīng)力重新分布 原壓應(yīng)力位置外層為拉應(yīng)力，原拉應(yīng)力位置外層為壓應(yīng)力v解決辦法： 粗棒料多次車削及時(shí)效處理。 采用熱校直。38切削加工帶來的殘余應(yīng)力v“時(shí)效處理”v設(shè)計(jì)合理零件結(jié)構(gòu)，提高零件剛性，使壁厚均勻v合理安排工藝過程粗、精加工分開v避免冷校直39 v 一上班，空轉(zhuǎn)機(jī)床v 坐標(biāo)鏜床在恒溫室內(nèi)v 磨床身導(dǎo)軌，走兩刀休息一下v 冬天加工時(shí)，尺寸合格，夏天就裝不進(jìn)去。 v熱變形： 機(jī)械加工過程中，工藝系統(tǒng)會(huì)受到各種熱的影響而產(chǎn)生溫度變形，稱為熱變形。這種變形將破壞刀具與工件的正確幾何關(guān)系和運(yùn)動(dòng)關(guān)系，造成工件的誤差。40v對加工精度的影響

14、精密加工和大件加工中，熱變形的加工誤差占工件總加工誤差的40%70%。 影響加工效率，為減少熱變形，需要預(yù)熱機(jī)床、降低切削用量，增加工序（粗、精分開） 高精、高效、自動(dòng)化加工時(shí)的熱變形問題更加嚴(yán)重.41v切削熱： 切削時(shí)所作的功幾乎全部轉(zhuǎn)變成熱，其熱量以傳導(dǎo)的形式傳遞，對刀具和工件影響較大。v摩擦熱： 機(jī)械零件的摩擦軸承、導(dǎo)軌的摩擦而產(chǎn)生的熱，液壓傳功、電氣傳功等，都是熱源，對機(jī)床影響較大，以傳導(dǎo)形式傳遞。v其它熱： 指工藝系統(tǒng)外部的，以對系統(tǒng)傳熱為主的環(huán)境溫度和各種輻射熱。 42v各種熱對加工精度的影響 切削熱：切削加工中最主要的熱源，它對工件加工精度的影響最為直接。在切削(磨削)過程中，消

15、耗于切削層的彈、塑性變形能量及刀具、工件和切屑之間摩擦產(chǎn)生的機(jī)械能，絕大部分都轉(zhuǎn)變成了切削熱。切削熱Q(J)的大小與被加工材料的性質(zhì)、切削用量及刀具的幾何參數(shù)等有關(guān)。通?？砂聪率接?jì)算Q = Fcvt工藝系統(tǒng)熱源內(nèi)部熱源外部熱源切削熱摩擦熱環(huán)境熱源輻射熱影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素是工件、刀具、夾具、機(jī)床等材料的導(dǎo)熱性能，以及周圍介質(zhì)的情況。車削時(shí)，切屑帶走熱量可達(dá)50%80%，傳給工件約30%，傳給刀具約5%。銑削、刨削加工，傳給工件30%鉆削和臥鏜，切屑留在孔中，傳給工件大于50%磨削時(shí)，切屑帶走熱量4%，傳導(dǎo)工件84%，工件表面溫度高4314:2444摩擦熱：主要是機(jī)床和液壓系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生

16、的，如電動(dòng)機(jī)、軸承、齒輪、絲杠副、導(dǎo)軌副、離合器、液壓泵、閥等各運(yùn)動(dòng)部分產(chǎn)生的摩擦熱。使工藝系統(tǒng)局部發(fā)熱，引起局部溫升和變形，破壞系統(tǒng)原有的幾何精度。外部熱源： 大型工件晝夜加工，由于溫差引起工藝系統(tǒng)的熱變形不一樣，照明光、散熱器、日光等也會(huì)引起機(jī)床的局部溫度和變形。45v 溫度場工藝系統(tǒng)各部分溫度分布v溫 度場與熱平衡研究目前以實(shí)驗(yàn)研究為主v熱平衡工藝系統(tǒng)在各種熱源作用下，溫度逐漸升高，同時(shí)它們也通過各種傳熱方式向周圍散熱，當(dāng)工件、刀具和機(jī)床的溫度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)散發(fā)的熱量和熱源傳刀的熱量趨于相等，這時(shí)工藝系統(tǒng)就達(dá)到了熱平衡狀態(tài)。 在熱平衡狀態(tài)下，工藝系統(tǒng)的各部分的溫度保持在一相對

17、固定的數(shù)值上，各部分的熱變形也相應(yīng)趨于穩(wěn)定461、熱源、熱源： 切削熱2 2、工件均勻受熱、工件均勻受熱 應(yīng)用條件： 形狀簡單的軸類，套類，盤類等零件的內(nèi)外圓加工時(shí)，切削熱較均勻的傳入工件，若不考慮溫升后的散熱，其溫度給工件全長和圓周的分布比較均勻，可近似看作均勻受熱。熱變形的大小LLtDDt圓柱類工件熱變形47式中 L， D 長度和直徑熱變形量； L，D 工件原有長度和直徑； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。應(yīng)用車削較長的軸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生圓度誤差，加工精度較高的軸類零件時(shí)，采用彈性或液壓尾頂尖。tDRl2max48531.1 1040014.410()4.4()LLtmmm 5級(jí)絲杠累積誤差全長

18、5m，可見熱變形的嚴(yán)重性3 3、工件不均勻受熱、工件不均勻受熱應(yīng)用條件： 銑、刨、磨平面時(shí)，工件單面受熱作用，上下表面間的溫差，將導(dǎo)致工件向上拱起，加工時(shí)，中間凸起被切去，冷卻后工件下凹。熱變形的大小49式中 X 變形撓度； L，S 工件原有長度和厚度； 工件材料線膨脹系數(shù)； t 溫升。28LtXS平面加工熱變形x/ 4LS結(jié)果結(jié)果：加工時(shí)上表面升溫，工件向上拱起，磨削時(shí)將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。50例例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3，則變形量為：221.120003886000.022 ()LtXSmm此值已大于精密導(dǎo)軌平直度要求解決措施 切削液充分冷卻 高速切

19、削、使傳入工件熱量減少 在精加工前充分冷卻 刀具不要過分磨鈍 在夾緊狀態(tài)下，有伸縮的自由51 切削熱（由于刀體小、熱重復(fù)小、雖然傳入刀具熱量并不多，但仍會(huì)有很高的溫升）（1）連接切削曲線1（2）間斷切削曲線2（3）冷卻后的曲線3 (min)車刀熱變形曲線連續(xù)切削升溫曲線冷卻曲線間斷切削升溫曲線（m）mayb0c0.63may圖中 熱伸長量； may 達(dá)到熱平衡熱伸長量； 切削時(shí)間； c 時(shí)間常數(shù)（熱伸長量為熱平衡熱伸長量約63%的時(shí)間，常取34分鐘）。52 加工大型零件，造成幾何形狀誤差 尺寸分散，有節(jié)奏的加工一批工件，工件尺寸分散 機(jī)床開動(dòng)后，開始一段時(shí)間加工出零件尺寸變化大。 切削區(qū)充分冷

20、卻 刀具不要過鈍 合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)53 內(nèi)外熱源有影響（其中摩擦熱影響很大），且由于各部件的熱源不同，分布不均勻，以及機(jī)床結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此不僅各部件的溫升不同，而且同一部件不同位置的溫升也不相同。使機(jī)床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機(jī)床原有的幾何精度而造成加工誤差。 機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后，各部件傳入的熱量和散失的熱量基本相等，即達(dá)到熱平衡狀態(tài)，變形趨于穩(wěn)定。在機(jī)床達(dá)到熱平衡之前，機(jī)床幾何精度變化不定，對加工精度的影響也變化不定。54 機(jī)床各部件由于體積較大，熱量大，因此其溫升一般不大。 車床主軸箱60 磨床1525 車床床身與主軸箱結(jié)合處20 磨床床身10 其他精密機(jī)床部件

21、溫升較低 車床、磨床 46h 中小型精密機(jī)床12h 大型精密12h55車、銑 、鉆、鏜類機(jī)床： 主軸箱中的齒輪，軸承磨擦發(fā)熱，潤滑油發(fā)熱是主要熱源，使主軸箱及與之相連部分如床身或立柱的溫度升高而產(chǎn)生較的變形。56車床受熱變形a） 車床受熱變形形態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 / h0 1 2 3 450150100200位移 /m20406080溫升 / Yy前軸承溫升b） 溫升與變形曲線 車床主軸發(fā)熱使主軸箱在垂直面向內(nèi)和水平向內(nèi)發(fā)生偏移和傾斜。在垂直向內(nèi)，主軸箱的溫升使主軸升高，又因主軸前軸承的發(fā)熱量大于后軸承的發(fā)熱量，主軸前端比后端高，由于主軸箱熱量傳給床身，床身導(dǎo)軌向上臺(tái)起，故而加劇了主軸的傾斜。57龍門刨床、導(dǎo)軌磨床等機(jī)床 床身熱變形是影響加工精度的主要因素：因其床身較長、導(dǎo)軌稍有溫差，就會(huì)產(chǎn)生較大的彎曲變形。 床身上下表面產(chǎn)生溫差的原因，不僅是由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱所知，環(huán)境溫度的影響也很大。導(dǎo)軌磨床受熱變形58各種磨床v 熱源： 液壓傳動(dòng)系