機械加工理論知識

關(guān)于機械加工理論知識2一、基本概念

1．彈性系統(tǒng)：切削加工時，由機床、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：機械加工時，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第2頁,共67頁，2024年2月25日，星期天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。

第3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天4

加工中影響加工精度最大的是刀刃在加工表面法線方向的位移。因此計算時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，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，以及切削成形運動所需要的正確幾何關(guān)系發(fā)生變化，從而造成加工誤差。第4頁,共67頁，2024年2月25日，星期天56、舉例工件剛性差，在加工細長軸時出現(xiàn)中間粗，兩頭尖的情況（腰鼓形）如圖所示：無進給磨削就車床加工剛性很好的工件，粗車后，再精車。有時不但不把刀橫向進給，反而把它后退一點，才能保證精度要求第5頁,共67頁，2024年2月25日，星期天6工藝系統(tǒng)剛度的計算

式中y——工藝系統(tǒng)總變形；

yjc

——機床的受力變形；

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，工藝系統(tǒng)的有關(guān)部件在各種外力的作用下，會產(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組成環(huán)節(jié)在同一處的法向變形的迭加。(一)工藝系統(tǒng)總變形

y=

yjc+

yjj+yd+yg

（1）第6頁,共67頁，2024年2月25日，星期天7(二)工藝系統(tǒng)剛度計算

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：式中k——工藝系統(tǒng)剛度；

kjc

——機床剛度；

kjj——夾具剛度；

kd——刀具剛度；

kg——工件剛度。

由工藝系統(tǒng)的剛度定義可知，機床剛度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

第7頁,共67頁，2024年2月25日，星期天81）機床變形引起的加工誤差三、工藝系統(tǒng)剛度對加工精度的影響

1、切削力作用點位置變化引起工件形狀誤差ydjytjywz工藝系統(tǒng)變形隨受力點變化規(guī)律FpAA′BB′CC′xLFAFByxΔx第8頁,共67頁，2024年2月25日，星期天9機床的剛度是由各個部件的剛度決定的，其計算方法為：

設(shè)工件短而粗，剛度很大，其變形可以忽略不計，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A`B`。

徑向切削力為Fy，由Fy引起的頭架和尾座處的受力為FA和FB，刀架受力為Fy。

在距離床頭X處，工件軸線移動的距離為yx。第9頁,共67頁，2024年2月25日，星期天10機床總的變形量：

根據(jù)剛度定義，Ktj，Kwz，Kdj分別為頭架、尾座和刀架的剛度，則：第10頁,共67頁，2024年2月25日，星期天112）工件變形引起的加工誤差工件為懸臂梁時：加工后工件形狀為：第11頁,共67頁，2024年2月25日，星期天12工件為簡支梁時：當x=0或x=L時，yg=0，變形最小當x=L/2時，變形最大，

由于工件變形，使工件加工后成鼓形，如圖所示第12頁,共67頁，2024年2月25日，星期天13式中

yg

——工件變形；

E——工件材料彈性模量；

I——工件截面慣性矩；

Fy——工件受到的切削力

x——受力點到支承點的距離

L——工件的長度第13頁,共67頁，2024年2月25日，星期天142、切削力大小變化引起的加工誤差

誤差復(fù)映規(guī)律

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”第14頁,共67頁，2024年2月25日，星期天15減少誤差復(fù)映的方法K越大，復(fù)映系數(shù)越小進給量f減少時，可以減小C，則減小增加走刀次數(shù)減小毛坯誤差值多次走刀總的的誤差復(fù)映系數(shù)

當加工分幾次走刀時，每次的誤差復(fù)映系數(shù)為：第15頁,共67頁，2024年2月25日，星期天16應(yīng)用推廣每一工件毛坯形狀誤差，都以一定復(fù)映系數(shù)形成工件的加工誤差，這是用于切削余量不均引起的。車削時，K很高時，??1，n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K低時，則從實際出發(fā)，來提高加工精度。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。毛坯硬度不均勻，也會造成加工誤差。當走刀次數(shù)一定時，如果一批毛坯材料的硬度差別很大，會使工件的尺寸分數(shù)范圍擴大，甚至超差。第16頁,共67頁，2024年2月25日，星期天173、夾緊力、重力、傳動力和慣性力引起的加工誤差◆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：加開口套第17頁,共67頁，2024年2月25日，星期天18【例2】薄壁工件磨削薄壁工件磨削

解決：加橡皮墊第18頁,共67頁，2024年2月25日，星期天194/11/2024第19頁,共67頁，2024年2月25日，星期天204/11/2024第20頁,共67頁，2024年2月25日，星期天214/11/2024第21頁,共67頁，2024年2月25日，星期天224/11/2024第22頁,共67頁，2024年2月25日，星期天23【例】龍門銑橫梁龍門銑橫梁變形龍門銑橫梁變形補償◆重力影響解決：變形補償?shù)?3頁,共67頁，2024年2月25日，星期天24第24頁,共67頁，2024年2月25日，星期天25◆傳動力與慣性力影響

理論上不會產(chǎn)生圓度誤差（但會產(chǎn)生圓柱度誤差）周期性的力易會引起強迫振動傳動力對加工精度的影響zlRyYFpFcFcdFcdyφra）O′O″r0yYFpAFcdrcd=Fcd/kcOFcFc/kcFp/kcb）O第25頁,共67頁，2024年2月25日，星期天261、機床部件剛度測定四、機床部件的剛度

靜態(tài)測定法：在機床不工作狀態(tài)，模擬車削時的受力的受力情況對機床施加靜載荷，然后測出機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算剛度。第26頁,共67頁，2024年2月25日，星期天27

下圖是對一車床進行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Δy（μm）10203040500123F（KN）第27頁,共67頁，2024年2月25日，星期天28

非線形關(guān)系，不完全是彈性變形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存在殘余變形，反復(fù)加載卸載后殘余變形→0

機床部件剛度比按實體估算值小許多，表明其變形受多種因素影響分析剛度曲線的特點：工作狀態(tài)測定法第28頁,共67頁，2024年2月25日，星期天29連接表面接觸變形——其大小與接觸面壓強有關(guān)零件表面摩擦力的影響結(jié)合面間隙組成件的實體剛度——受力產(chǎn)生拉伸、壓縮、彎曲變形；特別是薄弱件（楔條、軸套等）影響較大施力方向的影響，測試時只模擬Fy，實際上加工過程中，F(xiàn)x，F(xiàn)y，F(xiàn)z同時作用。2、影響機床部件剛度因素第29頁,共67頁，2024年2月25日，星期天30五、減小受力變形對加工精度影響措施合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計：設(shè)計工藝裝備時，盡量減少連接面數(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)計基礎(chǔ)件、支承件時，合理設(shè)計零部件結(jié)構(gòu)和截面形狀。提高連接表面接觸剛度提高機床部件中零件接合表面的接觸質(zhì)量給機床部件預(yù)加載荷提高工件定位基準的精度和降低表面粗糙度值。采用輔助支承（中心架，跟刀架，鏜桿支承等）1、提高工藝系統(tǒng)剛度第30頁,共67頁，2024年2月25日，星期天31采用合理裝夾和加工方式支座零件不同安裝方法2、減小載荷及其變化第31頁,共67頁，2024年2月25日，星期天32六、工件殘余應(yīng)力引起的變形1、內(nèi)應(yīng)力定義：外部作用力去除后工件內(nèi)存留的應(yīng)力特點：具有內(nèi)應(yīng)力的零件處于一種不穩(wěn)定狀態(tài)，它內(nèi)部的組織有強烈的傾向要恢復(fù)到一個穩(wěn)定的沒有應(yīng)力的狀態(tài)，即使在常溫下，零件也會不斷的緩慢地進行這種變化，直到殘余應(yīng)力安全松弛為主，在這一過程中，零件將會翹曲變形，原有的加工精度會逐漸喪失。來源：冷、熱加工。第32頁,共67頁，2024年2月25日，星期天332、毛坯制造和熱處理產(chǎn)生的殘余應(yīng)力原因：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)生相當大的殘余應(yīng)力。例1：下圖表示一個內(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A、C從塑性狀態(tài)冷卻到彈性狀態(tài)時，B還處于塑性狀態(tài)，這時A、C收縮時B不起阻擋變形的作用，鑄件內(nèi)部不會產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。第33頁,共67頁，2024年2月25日，星期天34

當B冷卻到彈性狀態(tài)時，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，達到平衡，工件翹曲。第34頁,共67頁，2024年2月25日，星期天35例2：機床床身鑄件，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。第35頁,共67頁，2024年2月25日，星期天363、冷校直帶來的殘余應(yīng)力冷校直方法：在細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，達到校直的目的細長軸彎曲原因，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F第36頁,共67頁，2024年2月25日，星期天37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)力當F作用上應(yīng)力分布如圖軸心線一上產(chǎn)生壓應(yīng)力（—）軸心線以下產(chǎn)生拉應(yīng)力（+）當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)力解決辦法：粗棒料多次車削及時效處理。采用熱校直。第37頁,共67頁，2024年2月25日，星期天38切削加工帶來的殘余應(yīng)力4、減小殘余應(yīng)力措施“時效處理”設(shè)計合理零件結(jié)構(gòu)，提高零件剛性，使壁厚均勻合理安排工藝過程粗、精加工分開避免冷校直第38頁,共67頁，2024年2月25日，星期天39工藝系統(tǒng)的熱變形對加工精度的影響

1、加工中的熱現(xiàn)象：一上班，空轉(zhuǎn)機床坐標鏜床在恒溫室內(nèi)磨床身導(dǎo)軌，走兩刀休息一下冬天加工時，尺寸合格，夏天就裝不進去。一、概述2、工藝系統(tǒng)的變形

熱變形：機械加工過程中，工藝系統(tǒng)會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)系和運動關(guān)系，造成工件的誤差。第39頁,共67頁，2024年2月25日，星期天40對加工精度的影響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)熱機床、降低切削用量，增加工序（粗、精分開）高精、高效、自動化加工時的熱變形問題更加嚴重.第40頁,共67頁，2024年2月25日，星期天413、工藝系統(tǒng)熱源切削熱：切削時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。摩擦熱：機械零件的摩擦軸承、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，對機床影響較大，以傳導(dǎo)形式傳遞。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。

第41頁,共67頁，2024年2月25日，星期天42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)。通常可按下式計算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)境熱源輻射熱第42頁,共67頁，2024年2月25日，星期天434/11/2024影響切削熱傳導(dǎo)的主要因素是工件、刀具、夾具、機床等材料的導(dǎo)熱性能，以及周圍介質(zhì)的情況。車削時，切屑帶走熱量可達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，切屑帶走熱量4%，傳導(dǎo)工件84%，工件表面溫度高第43頁,共67頁，2024年2月25日，星期天44摩擦熱：主要是機床和液壓系統(tǒng)中運動部件產(chǎn)生的，如電動機、軸承、齒輪、絲杠副、導(dǎo)軌副、離合器、液壓泵、閥等各運動部分產(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、日光等也會引起機床的局部溫度和變形。第44頁,共67頁，2024年2月25日，星期天45

溫度場——工藝系統(tǒng)各部分溫度分布溫度場與熱平衡研究——目前以實驗研究為主熱平衡——工藝系統(tǒng)在各種熱源作用下，溫度逐漸升高，同時它們也通過各種傳熱方式向周圍散熱，當工件、刀具和機床的溫度達到某一數(shù)值時，單位時間內(nèi)散發(fā)的熱量和熱源傳刀的熱量趨于相等，這時工藝系統(tǒng)就達到了熱平衡狀態(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固定的數(shù)值上，各部分的熱變形也相應(yīng)趨于穩(wěn)定4、溫度場與工藝系統(tǒng)熱平衡第45頁,共67頁，2024年2月25日，星期天46二、工件熱變形對加工精度的影響1、熱源：切削熱2、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，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。熱變形的大小長度：

直徑：◆圓柱類工件熱變形第46頁,共67頁，2024年2月25日，星期天47式中ΔL，ΔD——長度和直徑熱變形量；

L，D——工件原有長度和直徑；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升。應(yīng)用車削較長的軸時，會產(chǎn)生圓度誤差，加工精度較高的軸類零件時，采用彈性或液壓尾頂尖。第47頁,共67頁，2024年2月25日，星期天48

例：長400mm絲杠，加工過程溫升1℃，熱伸長量為：5級絲杠累積誤差全長≤5μm，可見熱變形的嚴重性3、工件不均勻受熱應(yīng)用條件：銑、刨、磨平面時，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，中間凸起被切去，冷卻后工件下凹。熱變形的大小第48頁,共67頁，2024年2月25日，星期天49式中

ΔX——變形撓度；

L，S——工件原有長度和厚度；

α——工件材料線膨脹系數(shù)；

Δt——溫升。平面加工熱變形Δxφ/4φLS結(jié)果：加工時上表面升溫，工件向上拱起，磨削時將中凸部分磨平，冷卻后工件下凹。第49頁,共67頁，2024年2月25日，星期天50例：高600mm，長2000mm的床身，若上表面溫升為3℃，則變形量為：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，有伸縮的自由第50頁,共67頁，2024年2月25日，星期天51三、刀具熱變形對加工精度的影響1、熱源：切削熱（由于刀體小、熱重復(fù)小、雖然傳入刀具熱量并不多，但仍會有很高的溫升）2、變形規(guī)律：（1）連接切削曲線1（2）間斷切削曲線2（3）冷卻后的曲線3τ(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ξ（μm）ξmayτb0τc0.63ξmay圖中ξ——熱伸長量；

ξmay——達到熱平衡熱伸長量；

τ——切削時間；

τc

——時間常數(shù)（熱伸長量為熱平衡熱伸長量約63%的時間，常取3～4分鐘）。第51頁,共67頁，2024年2月25日，星期天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，工件尺寸分散機床開動后，開始一段時間加工出零件尺寸變化大。

切削區(qū)充分冷卻刀具不要過鈍合理選擇切削用量和刀具幾何參數(shù)3、對加工精度的影響4、減少熱變形措施第52頁,共67頁，2024年2月25日，星期天53四、機床熱變形對加工精度影響1、熱源：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。使機床各部件之間的相互位置發(fā)生變化，破壞了機床原有的幾何精度而造成加工誤差。2、機床的熱平衡狀態(tài)：機床運轉(zhuǎn)一段時間后，各部件傳入的熱量和散失的熱量基本相等，即達到熱平衡狀態(tài)，變形趨于穩(wěn)定。在機床達到熱平衡之前，機床幾何精度變化不定，對加工精度的影響也變化不定。第53頁,共67頁，2024年2月25日，星期天543、機床的溫升：機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〈15—25℃

車床床身與主軸箱結(jié)合處〈20℃

磨床床身〈10℃

其他精密機床部件溫升較低4、熱平衡時間車床、磨床4—6h

中小型精密機床1—2h

大型精密〉12h第54頁,共67頁，2024年2月25日，星期天555、各種機床的熱變形及其對加工精度的影響車、銑、鉆、鏜類機床：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。第55頁,共67頁，2024年2月25日，星期天56車床受熱變形a）車床受熱變形形態(tài)運轉(zhuǎn)時間/h0123450150100200位移/μm20406080溫升/℃ΔYΔy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)軌向上臺起，故而加劇了主軸的傾斜。第56頁,共67頁，2024年2月25日，星期天57龍門刨床、導(dǎo)軌磨床等機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，不僅是由于工作臺運動時導(dǎo)軌摩擦發(fā)熱所知，環(huán)境溫度的影響也很大。導(dǎo)軌磨床受熱變形第57頁,共67頁，2024年2月25日，星期天58各種磨床熱源：液壓傳動系統(tǒng)和高速回轉(zhuǎn)磨頭，并且使用大量的切削液都是磨床的主要熱源。變形：砂輪主軸軸承發(fā)熱、使主軸軸線升高并使砂輪架向工件方向趨近，由于主軸前后軸承溫升不同，主軸