汽車制造工藝學之機械加工質量分析(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 機床、夾具、刀具、工件組成的工藝系統，受切削力、傳動力、慣性力、夾緊力以及重力等的作用，會相應因各種力的作用而產生變形。這種變形將破壞工藝系統各組元間已調整好的正確位置關系，從而形成加工誤差之 例如，車削細長軸時，工件在切削力作用下會發 ? 生彎曲變形，使之加工后產生腰鼓形的圓柱度誤差，如 圖 7一 18 (a)所示 。又如，在內圓磨床上用橫向切人磨孔時，由于磨頭主軸彎曲變形，使得所磨出的孔會出現帶有錐度的圓柱度誤差，如圖 7一 18 (b) 所示。 ? 從材料力學中得知，任何一個物體在受力后總要產生一定的變形，人們常把作用力 F與其引起在作用力方向上的變形量 Y的比值，稱為物體的剛度 k下面我們就來討論工藝系統受力變形對誤差的影響與控制。 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? 7. 3. 2對工藝系統剛度的認識 ? 機械加工工藝系統是一個彈性系統。彈性系統在外力作用下產生的變形位移的大小取決于外力大小和系統抵抗外力的能力。工藝系統抵抗外力使其變形的能力稱為工藝系統的剛度。工藝系統的剛度用切削力和在該力方向上所引起的刀具與工件間相對變形位移的比值來表示。由于切削力有三個分力，在切削加工中對加工精度影響最大的是刀刃沿加工表面的法線方向 (Y方向上 )的分力，因此，計算工藝系統剛度時，通常只考慮此方向上的切削分力 Fv和變形位移量 yk=FYy,即 (7一 4) 上一頁 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? ? 眾所周知，機床部件由許多零件組成。機床部件的剛度，即其抵抗外力使其變形的能力，迄今尚無合適的簡易計算方法，主要用實驗方法來測定。 圖 7一 19所示為車床刀架剛度變形曲線。分析圖 7一 19中實驗曲線，可以總結出機床刀架剛度具有以下特點 : ? ①變形與載荷不成線性關系。 ? ②加載曲線和卸載曲線不重合，卸載曲線滯后于加載曲線。兩曲線間所包容的面積就是加載和卸載循環中所損耗的能量。該能量消耗于摩擦力所做的功和接觸變形功。 ? ③第一次卸載后，變形恢復不到第一次加載的起點，這說明存在有殘余變形。經多次加載、卸載后，加載曲線起點才和卸載曲線終點重合，殘余變形才逐漸減小到零。 ? ④機床部件的實際剛度遠比我們按實體估算的要小。 上一頁 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? ? (1)刀架剛度的影響 ? 在加工過程中，由于工件加工余量發生改變將引起切削力變化，所以刀架后移會產生加工誤差。 若毛坯存在有橢圓形狀誤差。如 圖 7一 20所示，令毛坯橢圓長軸方向上吃刀量為 ap1，短軸方向吃刀量為 ap2 。 ? 由于橢圓長軸、短軸兩方向吃刀量和切削力不同，故刀架后移也不同。設對應于 ap1，產生的讓 y2對應于 ap2產生的讓刀為 y2 ，則加工出來的工件必然存在一定的橢圓形狀誤差。由于毛坯存在圓度誤差 ，故將引起工件的圓度誤差為 ，且△ 毛 越大， △ 工 越大。這種現象稱為加工過程中的毛坯誤差復映現象。 上一頁 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? (2)工件剛度的影響 ? 圖 7 21所示為車床上車削細長桿，此時工件發生彎曲，影響加工精度由此，加工中一般采取加裝跟刀架、活頂尖和改變走刀方向的措施來提高加工精度。 ? ? 合理設計零部件結構。在設計零部件結構時，應盡量減少連接面數口，并防止有局部低剛度環節出現。對于基礎件、支撐件，應合理選擇零件結構和截面形狀，以提高機床部件中零件間的接合剛度。必要時，應給機床部件預加反向載荷等。采用輔助支撐。例如，在加工細長軸時，工件的剛性差，采用中心架或跟刀架，或采用中間驅動方式，有助于提高工件的剛度。 上一頁 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? 如 圖 7 22 (a)所示曲軸車床采用中間驅動而不是端頭驅動，明顯縮短了驅動部位與被加工軸頸距離，降低了對剛度的要求。圖 7一 22 (b)所示為六角車床采用導套和導桿輔助支撐副提高刀架剛度措施。 采用合理的裝夾和加工方式。例如，在臥式銑床上銑削角鐵形零件，如按圖 7一22 (c)左所示裝夾和加工方式，則工件剛度較低 。如改用圖 7一 22 ( c)右所示裝夾和加工方式，則工件剛度明顯提高。加工箱體零件時，粗加工采用短定位銷，精加工采用長定位銷，以消除定位孔磨損的影響，如圖7一 22 ( d )所示。加工汽車凸輪軸則采用托輪增加剛性，如 7— 22所示。 上一頁 下一頁 返回 7. 3工藝系統受力變形誤差及其控制 ? 減小載荷及其變化。為了提高工藝系統剛度，建議采取適當的工藝措施來減小工藝系統中的載荷和變化。首先應該合理選擇刀具幾何參數，例如增大前角、讓主偏角接近 900等 。其次是控制切削用量，如適當減少進給量和背吃刀量，以減小切削力，相應減小受力變形 。再者，將毛坯分組，使加工中的各組毛坯余量相對均勻，這樣能減少切削力的變化，從而能夠減小復映誤差 上一頁 返回 7. 4工藝系統熱變形誤差與控制 ? 7. 4. 1工藝系統熱源 ? 工件、刀具等的熱變形對加工精度影響較大，特別是在精密加工和大件加工中，熱變形所引起的加工誤差通常會占到工件總誤差的 40%一70% 引起工藝系統熱變形的熱源可分為內部熱源和外部熱源兩大類。 ? ? 內部熱源包括切削熱和摩擦熱。 ? 在切削過程中，消耗于切削的彈、塑性變形能及刀具、工件和切屑之間摩擦的機械能，絕大部分都轉變成了切削熱。在車削加工中，切屑所帶走的熱量可達 50%一 80 %，傳給工件的熱量約為 30%，傳給刀具的熱量不超過 5%。 下一頁 返回 7. 4工藝系統熱變形誤差與控制 ? 工藝系統中的摩擦熱主要是由機床運動部件產生的，如電動機、軸承、齒輪、絲杠副、導軌副、離合器、液壓泵和閥等。盡管摩擦熱比切削熱少，但其在工藝系統中是局部發熱，會引起局部溫升和變形，破壞了系統原有的幾何精度，對加工精度也會帶來嚴重影響。 ? ? 外部熱源的熱輻射包括照明燈光、加熱器等對機床的熱輻射，同時也不容忽視周圍環境溫度，如不同晝夜溫度對機床熱變形的影響。控制外部熱源的熱輻射影響對于大型和精密加工尤為重要。 上一頁 下一頁 返回 7. 4工藝系統熱變形誤差與控制 ? 7. 4. 2工藝系統熱變形引起的誤差 ? ? 一般機床的體積較大，熱容量大，雖溫升不高，但其變形量卻不容忽視。機床結構較復雜，其達到熱平衡所需的時間較長，各部分的受熱變形不均，會破壞原有的相互位置精度，造成工件的加工誤差。 ? 機床結構和工作條件不同，機床熱變形的熱源和變形形式也不盡相同。對于車、銑、鉆、鎖類機床，其主軸箱中的齒輪、軸承摩擦發熱和潤滑油發熱是其主要熱源，因而使得主軸箱及與之相連部分，如床身或立柱的溫度升高而產生較大變形。車床主軸發熱使主軸箱在垂直面與水平面內發生偏移和傾斜，如 圖 7一 23 ( a)所示。圖 7一 23 ( b )所示為車床主軸溫升、位移隨運轉時間變化而變化的情況。由圖 7 23可見， Y方向的位移量遠大于 X方向的位移量，由于 Y方向是誤差非敏感方向，故對加工精度影響較小。 上一頁 下一頁 返回 7. 4工藝系統熱變形誤差與控制 ? ? 盡管在切削加工中傳入刀具的熱量很少，但由于刀具的尺寸和熱容量小，故仍有相當程度的溫升，從而引起刀具的熱伸長并造成加工誤差。例如車削時高速鋼車刀的工作表面溫度可達 700℃ 一 800 ℃ ，硬質合金車刀可達 1 000 ℃ ，刀具伸長量可達 0. 03一 0. 0Smm ? 圖 7 24所示為車刀熱伸長量與切削時間的關系。在車刀連續切削的情況下，切削開始時，刀具的溫升和熱伸長較快，隨后趨于緩和，經30min逐步達到熱平衡。當切削停止時，刀具溫度開始下降較快，以后逐漸減緩。 ? 刀具斷續加工時，變形趨于零。如加工一批短小軸件，在加工過程中機床、工件、刀具趨于熱平衡。 上一頁 下一頁 返回 ℃ 7. 4工藝系統熱變形誤差與控制 ? 在連續冷卻條件下經