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工艺系统受力变形对加工误差的影响(下)

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发表于 2010-10-22 08:30:31 | 显示全部楼层 |阅读模式

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(三)其它力引起的加工误差 3 V' F5 ], a+ D" n- B0 J

  1 . 由惯性力引起的加工误差

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  切削加工中,高速旋转的零部件(包括夹具、工件和刀具等)的不平衡将产生离心力 F Q。 F Q在每一转中不断地改变着方向,因此,它在 y方向的分力大小的变化,就会使工艺系统的受力变形也随之变换而产生加工误差。如图 4-14所示,车削一个不平衡的工件,当离心力 F Q 与切削力 F y方向相反时,将工件推向刀具,使背吃刀量增加(如图 a);当离心力 F Q 与切削力 F y方向相同时,工件被拉离刀具,使背吃刀量减小(如图 b),其结果就产生了工件的圆度误差。

4 V _6 ]: q8 G" y8 D

   例如,当工件重力 W为 100N,主轴转速 n为 1000r/min,不平衡质量 m到旋转中心的距离 S为 5mm时,则

6 i; O$ ]/ w/ _8 Q1 Y& t" A. _# g

  F Q= mS ω 2 = = = 558.93N

5 Y; W% C, Q; }9 X" i

  设工艺系统刚度 k xt=3× 10 4 N/mm,则半径方向的加工误差为

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  Δ r=y max- y min = = = = 0.037mm

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  2 .由传动力引起的加工误差

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  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。如图 4-15所示,传动力在拨盘的每一转中,经常改变方向,其在 y方向上的分力有时与切削力 F y方向相同,有时相反。因此,它也会造成工件的圆度误差。为此,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。

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  3 .夹紧力引起的加工误差

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  在加工刚性较差的工件时,若夹紧不当会引起工件的变形而产生形状误差。如图 4— 16所示,用三爪卡盘夹紧薄壁套筒车孔 (图 a),夹紧后工件呈三棱形 (图 b),车出的孔为圆形 (图 c),当松夹后套筒弹性变形恢复,孔就形成了三棱形 (图 d)。所以加工中在套筒外面加上一个厚壁的开口过渡套 (图 e),或采用专用夹头,使夹紧力均匀分布在套筒上。

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  4 .由重力引起的加工误差   

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  在工艺系统中,由于零部件的自重也会引起变形,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,都会造成加工误差。

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  如图 4-17所示为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,从而使被加工的孔与定位面也产生垂直度误差。

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  三、 减少工艺系统受力变形的主要措施

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  减少工艺系统的受力变形,是机械加工中保证产品质量和提高生产效率的主要途径之一。根据生产的实际情况,可采取以下几方面的措施。

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  (一)提高接触刚度

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   零件表面总是存在着宏观和微观的几何误差,连接表面之间的实际接触面积只是名义接触面积的一部分,表面间的接触情况如图 4-18所示。在外力作用下,这些接触处将产生较大的接触应力,引起接触变形。所以,提高接触刚度是提高工艺系统刚度的关键。常用的方法是改善工艺系统主要零件接触表面的配合质量,如机床导轨副的刮研,配研顶尖锥体与主轴和尾座套筒锥孔的配合面,研磨加工精密零件用的顶尖孔等,都是在实际生产中行之有效的工艺措施。提高接触刚度的另一措施是预加载荷,这样可以消除配合面间的间隙,而且还能使零部件之间有较大的实际接触面,减少受力后的变形量。预加载荷法常在各类轴承的调整中使用。
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 (二)提高工件刚度,减少受力变形

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  切削力引起的加工误差,往往是由于工件本身刚度不足或工件各个部位结构不均匀而产生的。特别是加工叉类、细长轴等结构的零件,非常容易变形,在这种情况下,提高工件的刚度就是提高加工精度的关键。其主要措施是缩小切削力作用点到工件支承面之间的距离,以增大工件加工时的刚度。图 4-19所示为车削细长轴时采用中心架或跟刀架以增加工件的刚度(图 a为采用中心架,图 b为采用跟刀架)。

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  (三)提高机床部件刚度,减少受力变形

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  在切削加工中,有时由于机床部件刚度低而产生变形和振动,影响加工精度和生产率的提高,所以加工时常采用一些辅助装置以提高机床部件的刚度。图 4 -20a所示为在转塔车床上采用固定导向支承套,图 b为采用转动导向支承套,并用加强杆与导向套配合以提高机床部件刚度的示例。

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  (四)、合理装夹工件,减少夹紧变形 ! c' x2 V6 I0 J5 p: @8 W

  对于薄壁零件的加工,夹紧时必须特别注意选择适当的夹紧方法,否则将会引起很大的形状误差。如加工薄壁套筒时图 4-16 所示。夹紧前薄壁套筒内外圆都是正圆,用三爪自定心卡盘夹紧后,套筒由于弹性变形而成为三棱形(图 4 -16a )。镗孔后,内孔成正圆形(图 b )。松开三爪自定心卡盘后,工件由于弹性恢复,使已镗过的孔成为三棱形(图 c )。为了减少加工误差,应使夹紧力沿圆周均匀分布,可采用开口过度环(图 d )或采用专用卡爪(图 e )。

  四、工件内应力引起的加工误差 ' W) `4 U" j" S) s; R

  零件在没有外加载荷的情况下,仍然残存在工件内部的应力称内应力或残余应力。工件在铸造、锻造及切削加工后,内部会存在的各种内应力。零件内应力的重新分布不仅影响零件的加工精度,而且对装配精度也有很大的影响。内应力存在于工件的内部,而且其存在和分布情况相当复杂,下面只作一些定性的分析。

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  (一)毛坯的内应力

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  铸、锻、焊等毛坯在生产过程中,由于工件各部分的厚薄不均,冷却速度不均匀而产生内应力。

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  图 4-21为车床床身内应力引起的变形情况。铸造时,床身导轨表面及床腿面冷却速度较快,中间部分冷却速度较慢,因此形成了上下表层受压应力,中间部分受拉应力的状态。当将导轨表面铣或刨去一层金属时,和上图开口一样,内应力将重新分布和平衡,整个床身将产生弯曲变形。

3 S1 F6 h% V6 I+ z$ D# f

  (二)冷校直引起的内应力

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  细长的轴类零件,如光杠、丝杠、曲轴、凸轮轴等在加工和运输中很容易产生弯曲变形,因此,大多数在加工中安排冷校直工序,这种方法简单方便,但会带来内应力,引起工件变形而影响加工精度。图 4— 22所示为冷校直时引起内应力的情况。

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  在弯曲的轴类零件 (图 a)中部施加压力 F,使其产生反弯曲 (图 b),这时,轴的上层 AO受压力,下层 0D受拉力,而且使 AB和 CD产生塑性变形,为塑变区,内层 B0和 CO为弹变区 (图 b)。如果外力加得适当,在去除外力后,塑变区的变形将保留下来,而弹变区的变形将全部恢复,应力重新分布,工件就会变形而成为图 c所示。但是,零件的冷校直只是处于一种暂时的相对平衡状态,只要外界条件变化,就会使内应力重新分布而使工件产生变形。例如,将已冷校直的轴类零件进行加工 (如磨削外圆 )时,由于外层 AB、 CD变薄,破坏了原来的应力平衡状态,使工件产生弯曲变形 (图 d),其方向与工件的原始弯曲一致,但其弯曲度有所改善。

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  因此,对于精密零件的加工是不允许安排冷校直工序的。当零件产生弯曲变形时,如果变形较小,可加大加工余量,利用切削加工方法去除其弯曲度,这时要注意切削力的大小,因为这些零件刚度很差,极易受力变形;如果变形较大,则可用热校直的方法,这样可减小内应力,但操作比较麻烦。

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  (三)工件切削时的内应力

4 M( k% D& Y# ]& B' r

  工件在进行切削加工时,在切削力和摩擦力的作用下,使表层金属产生塑性变形,体积膨胀,受到里层组织的阻碍,故表层产生压应力,里层产生拉应力;由于切削温度的影响,表层金属产生热塑性变形,表层温度下降快,冷却收缩也比里层大,当温度降至弹性变形范围内,表层收缩受到里层的阻碍,因而产生拉应力,里层将产生平衡的压应力。

5 A$ z9 Q) O- [

  在大多数情况下,热的作用大于力的作用。特别是高速切削、强力切削、磨削等,热的作用占主要地位。磨削加工中,表层拉力严重时会产生裂纹。

3 P2 z' w; k3 J. c

  (四)减少或消除内应力的措施

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  1 .合理设计零件结构

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  在零件结构设计中,应尽量缩小零件各部分厚度尺寸的差异,以减少铸、锻毛坯在制造中产生的内应力。

a. g. }4 l: j

  2 .采取时效处理

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  自然时效 在毛坯制造之后,或粗、精加工之间,让工件停留一段时间,利用温度的自然变化,经过多次热胀冷缩,使工件的内应力逐渐消除。这种方法效果好,但需要时间长 (一般要半年至五年 )。

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  人工时效 将工件放在炉内加热到一定温度,再随炉冷却以达到消除应力的目的。这种方法对大型零件需要一套很大的设备,其投资和能源消耗较大。

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  振动时效 以激振的形式将振动的机械能加到含大量内应力的工件内,引起工件内部晶格变化以消除内应力,一般在几十分钟便可消除内应力,适用于大小不同的铸、锻、焊接件毛坯及有色金属毛坯。这种方法不需要庞大的设备,所以比较经济、简便,且效率高。

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