機(jī)械制造基礎(chǔ)44

四.工藝系統(tǒng)受力變形的影響（一）工藝系統(tǒng)的剛度

機(jī)械加工中，由機(jī)床、夾具、工件等環(huán)節(jié)組成的工藝系統(tǒng)，在夾緊力、切削力、重力以及慣性力等的作用下，將產(chǎn)生變形（彈、塑性變形）和振動(dòng)，破壞刀具和工件之間的正確位置而形成加工誤差，并使加工表面的表面粗糙度惡化。例如，在車削細(xì)長(zhǎng)軸時(shí)，工件在切削力的作用下彎曲變形，加工后會(huì)產(chǎn)生鼓形的圓柱度誤差。工藝系統(tǒng)在外力作用下產(chǎn)生變形的大小，不僅取決于外力的大小，而且和工藝系統(tǒng)抵抗外力的能力，即工藝系統(tǒng)的剛度有關(guān)。

工藝系統(tǒng)的剛度K系統(tǒng)是指加工表面法向切削分力Fy與刀具的切削刃在切削力的作用下相對(duì)工件在此方向位移y的比值。

K系統(tǒng)=Fy／y

必須指出，法向位移y除了受Fy的影響外，還受Fx、Fz的影響，即y值是在切削合力F的作用下，工藝系統(tǒng)在Fy方向的變形。由于工藝系統(tǒng)中的各個(gè)環(huán)節(jié)在外力作用下都會(huì)產(chǎn)生變形，故工藝系統(tǒng)沿加工表面法向變形值的總和y系統(tǒng)為

y系統(tǒng)=y機(jī)床+y夾具+y刀具+y工件

（4-6）

根據(jù)剛度定義，K系統(tǒng)=Fy／y系統(tǒng)；K機(jī)床=Fy／y機(jī)床；K夾具=Fy／y夾具；K刀具=Fy／y刀具；K工件=Fy／y工件，可得工件、刀具一般為簡(jiǎn)單構(gòu)件，其剛度可用材料力學(xué)的有關(guān)公式進(jìn)行近似的計(jì)算。機(jī)床、夾具的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其受力與變形關(guān)系，以及各零件間的接觸剛度和部件剛度，難以用公式表達(dá)，目前主要用實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行測(cè)定。右圖為用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出中心高200mm車床刀架部件的剛度曲線。其特點(diǎn)為：（1）剛度曲線不是直線，力和變形不成線性關(guān)系。表明變形不純粹是彈性變形。

（2）加載與卸載曲線不重合，兩曲線間的包容面積代表循環(huán)中消耗的能量，即消耗于零件間的接觸變形、摩擦和塑性變形等所作的功。（3）載荷卸去后曲線不能回到原點(diǎn)。第一次加載、卸載后變形不能回到原點(diǎn)，這說明部件存在塑性變形。在反復(fù)加載、卸載后，接觸狀態(tài)才趨于穩(wěn)定，殘留變形接近于零。圖4-15中的第三次加載、卸載曲線的原點(diǎn)才開始重合。（4）部件的實(shí)際剛度遠(yuǎn)比按實(shí)體結(jié)構(gòu)的估計(jì)值小。由圖4-15可知，載荷-變形曲線的斜率，即表示剛度的大小，一般取第一次加載曲線兩端點(diǎn)連線的斜率來表示其平均剛度，故刀架的剛度為即所測(cè)刀架部件的剛度，只相當(dāng)于30

×30×200mm鑄鐵件的剛度。

連接表面間的接觸變形。

薄弱零件本身的變形。

間隙的影響。

摩擦力的影響。刀架外形尺寸看起來較大，但它是由多個(gè)零件組合而成，其中存在薄弱環(huán)節(jié)，故比同樣大小整體零件的剛度低得多，其原因是：

連接表面間的接觸變形:零件表面都有一定的形狀誤差和表面粗糙度，故零件間的實(shí)際接觸面積，僅是名義接觸面積的一小部分。而真正接觸的又只是這部分面積中表面粗糙度形成的若干凸峰。在外力作用下，這些接觸點(diǎn)產(chǎn)生了較大的應(yīng)力和變形。這種接觸變形中不僅有表面層的彈性變形，還有局部的塑性變形，故造成部件的剛度曲線不呈直線，也是部件剛度遠(yuǎn)比實(shí)體零件剛度低的原因之一。接觸表面的塑性變形還導(dǎo)致殘余變形（見圖4-15）。經(jīng)多次加載、卸載后才趨于穩(wěn)定。出現(xiàn)殘余變形的另一原因是接觸面之間存在油膜，經(jīng)過幾次加載后才能逐漸排除，這種現(xiàn)象在滑動(dòng)軸承副中較為明顯。薄弱零件本身的變形:如刀架及車床溜板中常用的楔鐵，結(jié)構(gòu)薄而長(zhǎng)，剛度很差，不易加工得很平直，裝配后接觸面積小，在外力作用下易產(chǎn)生較大的變形（圖4-16（a）），使部件剛度降低。圖4-16（b）所示為軸承套和軸頸及箱體孔的接觸情況，軸承套形狀誤差造成的局部接觸使軸承套受力后產(chǎn)生較大變形，因而降低了軸承的剛度。間隙的影響:圖4-17為在正、反兩個(gè)方向上交替加載、卸載所實(shí)測(cè)的剛度曲線，圖中yc為殘留變形。在實(shí)際加工中若僅是單向受力，零件間的間隙對(duì)部件剛度沒有什么影響。若用鏜頭或行星式磨頭加工孔時(shí)，刀桿受力方向經(jīng)常改變，則間隙引起的變形對(duì)加工精度有著較大的影響。不過，機(jī)床在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，隨著零件的溫升，連接面間的間隙逐漸減小