工艺系统受力变形对加工误差的影响（下）

HEATS · 发表于 2010-10-22 08:30:31

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（三）其它力引起的加工误差

　　1 ．由惯性力引起的加工误差

　　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。

　　　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

　　F Q= mS ω 2 = = = 558.93N

　　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

　　Δ r=y max- y min = = = = 0.037mm

　　2 ．由传动力引起的加工误差

　　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。

　　3 ．夹紧力引起的加工误差

　　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　　

　　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。

　　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。

　　三、减少工艺系统受力变形的主要措施

　　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。

　　（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。

　（二）提高工件刚度，减少受力变形

　　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

　　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

　　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

　　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。

　　（一）毛坯的内应力

　　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。

　　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。

　　（二）冷校直引起的内应力

　　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。

　　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。

　　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。

　　（三）工件切削时的内应力

　　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。

　　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。

　　（四）减少或消除内应力的措施

　　1 ．合理设计零件结构

　　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。

　　2 ．采取时效处理

　　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 )。

　　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。

　　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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