发布时间 : 星期二 文章(机械制造行业)第二章机械加工精度更新完毕开始阅读
的大小和系统抵抗外力的能力。工艺系统抵抗外力使其变形的能力称为工艺系统的刚度。工艺系统的刚度用切削力和在该力方向上所引起的刀具和工件间相对变形位移的比值表示的。由于切削力有三个分力，在切削加工中对加工精度影响最大的是刀刃沿加工表面的法线方向（Y方向上）的分力，因此计算工艺系统刚度时，通常只考虑此方向上的切削分力Fy和变形位移量y，即
k?Fyy （2—3）
3．工艺系统受力变形对加工精度的影响
工艺系统受力变形对加工精度的影响可归纳为下列几种常见的形式：
⑴ 受力点位置变化产生形状误差 在切削过程中，工艺系统的刚度会随着切削力作用点位置的变化而变化，因此使工艺系统受力变形也随之变化，引起工件形状误差。例如车削加工时，由于工艺系统沿工件轴向方向各点的刚度不同，因此会使工件各轴向截面直径尺寸不同，使车出的工件沿轴向产生形状误差（出现鼓形、鞍形、锥形）。
⑵ 切削力变化引起加工误差 在切削加工中，由于工件加工余量和材料硬度不均将引起切削力的变化，从而造成加工误差。例如车削图2-7所示的毛坯时，由于它本身有圆度误差（椭圆），背吃刀量aP将不一致（aP1＞aP2），当工艺系统的刚度为常数时，切削分力Fy也不一致（Fy1＞Fy2），从而引起工艺系统的变形不一致（Yl ＞Y2），这样在加工后的工件上仍留有较小的圆度误差。这种在加工后的工件上出现与毛坯形状相似的误差的现象称为“误差复映”。 （沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-24） 图2-7 毛坯形状误差的复映 由于工艺系统具有一定的刚度，因此在加工表面上留下的误差比毛坯表面的误差数值上已大大减小了。也就是说，工艺系统刚度愈高，加工后复映到被加工表面上的误差愈小，当经过数次走刀后，加工误差也就逐渐缩小到所允许的范围内了。 ⑶ 其他作用力引起的加工误差
1）传动力和惯性力引起的加工误差 当在车床上用单爪拨盘带动工件回转时，传动力在拨盘的每一转中不断改变其方向；对高速回转的工件，如其质量不平衡，将会产生离心力，它和传动力一样在工件的转动中不断的改变方向。这样，工件在回转中因受到不断变化方向的力的作用而造成加工误差，如图2-8和图2-9所示。
（沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-25、26） 图2-8 传动力所引起的加工误差 图2-9 离心惯性所引起的加工误差 2）重力所引起的误差 在工艺系统中，有些零部件在自身重力作用下产生的变形也会造成加工误差。例如，龙门铣床、龙门刨床横梁在刀架自重下引起的变形将造成工件的平面度误差。对于大型工件，因自重而产生的变形有时会成为引起加工误差的主要原因，所以在安装工件时，应通过恰当地布置支承的位置或通过平衡措施来减少自重的影响。
3）夹紧力所引起的加工误差 工件在安装时，由于工件刚度较低或夹紧力作用点和方向不当，会引起工件产生相应的变形，造成加工误差。图2-10为加工连杆大端孔的安装示意图，由于夹紧力作用点不当，造成加工后两孔中心线不平行及其与定位端面不垂直。 （沿用吴拓主编《机械制造工程》（第2版）机械工业出版社2005年9月图3-27） 图2-10 夹紧力不当所引起的加工误差 4．减少工艺系统受力变形的主要措施
减少工艺系统受力变形是保证加工精度的有效途径之一。生产实际中常采取如下措施： 1）提高接触刚度 所谓接触刚度就是互相接触的两表面抵抗变形的能力。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面的配合质量，使配合面的表面粗糙度和形状精度得到改善和提高，实际接触面积增加，微观表面和局部区域的弹性、塑性变形减少，从而有效地提高接触刚度。
2）提高工件定位基面的精度和表面质量 工件的定位基面如存在较大的尺寸、形位误差和表面质量差，在承受切削力和夹紧力时可能产生较大的接触变形，因此精密零件加工用的基准面需要随着工艺过程的进行逐步提高精度。
3）设置辅助支承，提高工件刚度，减小受力变形 切削力引起的加工误差往往是因为工件本身刚度不足或工件各个部位刚度不均匀而产生的。当工件材料和直径一定时，工件长度和切削分力是影响变形的决定性因素。为了减少工件的受力变形，常采用中心架或跟刀架，以提高工件的刚度，减小受力变形。
4）合理装夹工件，减少夹紧变形 当工件本身薄弱、刚性差时，夹紧时应特别注意选择
适当的夹紧方法，尤其是在加工薄壁零件时，为了减少加工误差，应使夹紧力均匀分布。缩短切削力作用点和支承点的距离，提高工件刚度。
5）对相关部件预加载荷 例如，机床主轴部件在装配时通过预紧主轴后端面的螺母给主轴滚动轴承以预加载荷，这样不仅能消除轴承的配合间隙，而且在加工开始阶段就使主轴与轴承有较大的实际接触面积，从而提高了配合面间的接触刚度。
6）合理设计系统结构 在设计机床夹具时，应尽量减少组成零件数，以减少总的接触变形量；选择合理的结构和截面形状；并注意刚度的匹配，防止出现局部环节刚度低。
7）提高夹具、刀具刚度；改善材料性能。
8）控制负载及其变化 适当减少进给量和背吃刀量，可减少总切削力对零件加工精度的影响；此外，改善工件材料性能以及改变刀具几何参数如增大前角等都可减少受力变形；将毛坯合理分组，使每次调整中加工的毛坯余量比较均匀，能减小切削力的变化，减小误差复映。
四、工艺系统热变形对加工精度的影响
在机械加工中，工艺系统在各种热源的影响下会产生复杂的变形，使得工件与刀具间的正确相对位置关系遭到破坏，造成加工误差。
1．工艺系统热变形的热源
引起工艺系统热变形的热源主要来自两个方面：一是内部热源，指轴承、离合器、齿轮副、丝杠螺母副、高速运动的导轨副、镗模套等工作时产生的摩擦热，以及液压系统和润滑系统等工作时产生的摩擦热；切削和磨削过程中由于挤压、摩擦和金属塑性变形产生的切削热；电动机等工作时产生的电磁热、电感热。二是外部热源，指由于室温变化及车间内不同位置、不同高度和不同时间存在的温度差别，以及因空气流动产生的温度差等；日照、照明设备以及取暖设备等的辐射热等。工艺系统在上述热源的作用下，温度逐渐升高，同时其热量也通过各种传导方式向周围散发。
2．工艺系统热变形对加工精度的影响
⑴ 机床热变形对加工精度的影响 机床在运转与加工过程中受到各种热源的作用，温度会逐步上升，由于机床各部件受热程度的不同，温升存在差异，因此各部件的相对位置将发生变化，从而造成加工误差。
车、铣、镗床这类机床主要热源是床头箱内的齿轮、轴承、离合器等传动副的摩擦热，它使主轴分别在垂直面内和水平面内产生位移与倾斜，也使支承床头箱的导轨面受热弯曲；
床鞍与床身导轨面的摩擦热会使导轨受热弯曲，中间凸起。磨床类机床都有液压系统和高速砂轮架，故其主要热源是砂轮架轴承和液压系统的摩擦热；轴承的发热会使砂轮轴线产生位移及变形，如果前、后轴承的温度不同，砂轮轴线还会倾斜；液压系统的发热使床身温度不均产生弯曲和前倾，影响加工精度。大型机床如龙门铣床、龙门刨床、导轨磨床等，这类机床的主要热源是工作台导轨面与床身导轨面间的摩擦热及车间内不同位置的温差。
⑵ 工件热变形及其对加工精度的影响 在加工过程中，工件受热将产生热变形，工件在热膨胀的状态下达到规定的尺寸精度，冷却收缩后尺寸会变小，甚至可能超出公差范围。工件的热变形可能有两种情况：比较均匀地受热，如车、磨外圆和螺纹，镗削棒料的内孔等；不均匀受热，如铣平面和磨平面等。
⑶ 刀具热变形对加工精度的影响 在切削加工过程中，切削热传入刀具会使得刀具产生热变形，虽然传入刀具的热量只占总热量的很小部分，但是由于刀具的体积和热容量小，所以由于热积累引起的刀具热变形仍然是不可忽视的。例如，在高速车削中刀具切削刃处的温度可达850℃左右，此时刀杆伸长，可能使加工误差超出公差带。
3．环境温度变化对加工精度的影响
除了工艺系统内部热源引起的变形以外，工艺系统周围环境的温度变化也会引起工件的热变形。一年四季的温度波动，有时昼夜之间的温度变化可达10℃以上，这不仅影响机床的几何精度，还会直接影响加工和测量精度。
4．对工艺系统热变形的控制
可采用如下措施减少工艺系统热变形对加工精度的影响：
1）隔离热源 为了减少机床的热变形，将能从主机分离出去的热源（如电动机、变速箱、液压泵和油箱等）应尽可能放到机外；也可采用隔热材料将发热部件和机床大件（如床身、立柱等）隔离开。
2）强制和充分冷却 对既不能从机床内移出，又不便隔热的大热源，可采用强制式的风冷、水冷等散热措施；对机床、刀具、工件等发热部位采取充分冷却措施，吸收热量，控制温升，减少热变形。
3）采用合理的结构减少热变形 如在变速箱中，尽量让轴、轴承、齿轮对称布置，使箱壁温升均匀，减少箱体变形。
4）减少系统的发热量 对于不能和主机分开的热源（如主轴承、丝杠、摩擦离合器和高速运动导轨之类的部件），应从结构、润滑等方面加以改善，以减少发热量；提高切削速度(或进给量)，使传入工件的热量减少；保证切削刀具锋利，避免其刃口钝化增加切削热。