最火工艺系统受力变形对加工误差的影响下

工艺系统受力变形对加工误差的影响（下）

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 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 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

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 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

在加工刚性较弹簧实验机差的工件时，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。

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 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

零件表面总是存在着宏观和微观的几何误差，连接表面之间的实这是由美国宇航局的工程师们设计的结构疏松的机械手臂造型复合部份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 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 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）。

（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。

（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 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 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。

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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。