《機制工藝學》中誤差復映實驗的改進設計

摘 要： 本文通過對《機制工藝學》中原始差復映實驗曲線失真原因的分析，并對其影響因素逐個進行論證，裝置改進后的實驗曲線與理論曲線基本吻合，實驗結果正確、穩定。

關鍵詞： 《機制工藝學》 誤差復映實驗 改進設計

誤差復映主要由加工余量變化而引起的。在加工過程中，由于工件的余量發生變化，就會引起切削力的變化，從而引起工藝系統變形的變化，致使產生加工誤差。為了能更清晰、直觀地反映復映現象，我校在《機制工藝學》中增加了誤差復映實驗，最初幾次實驗曲線與理論曲線基本吻合，但復映現象不明顯，而且在實驗中由于切深過大，造成振動。同時，在以后的實驗中所得的曲線嚴重失真，使實驗在教學中無法開設，為了能得到明顯的且與理論曲線相近的誤差復映曲線，對原實驗裝置及實驗條件進行了改進。實驗的改進過程大致可分為三個階段，改進后所得到的實驗結果與理論曲線基本吻合，且較為明顯穩定，滿足實驗要求。

1.分析誤差復映曲線失真的原因。

1.1首先在原有實驗裝置上做3次實驗，所得到的曲線波動幅度大，且正值、負值兼有，與理論曲線相比較，曲線很不規則，理論上應該在實驗中出現的實驗曲線的滯后現象根本不存在，同時還有負剛度現象出現。如圖1所示。

從實驗裝置表面和整個過程來看，影響曲線失真的因素可能有以下幾點：

（1）實驗裝置的結構不合理。具體表現為：偏心盤與芯軸之間為圓柱面配合，間隙為0.052mm；芯軸軸肩與外圓柱面軸線垂直度誤差較大；芯軸采用一夾一頂裝夾，而夾緊部分較長；有過定位現象；試件與芯軸用來聯接的普通平鍵兩工作面有磨損跡象。

（2）刀具結構及其幾何參數不適當。實驗采用焊接式硬質合金刀具，牌號為YG8的45°偏刀。其各幾何角度為：后角α=10°-12°，前角γ=3°-4°，刀傾角λ=+3°，刀尖圓弧半徑r=0.2mm，副后角α′=7°-8°。

（3）在切削過程中，工藝系統出現負剛度現象，從試驗曲線中發現部分曲線在零線以下，很明顯，是工藝系統產生負剛度引起的。

（4）測量誤差與加工誤差的質量對曲線失真也有一定的影響。

1.2為了弄清研究哪些是影響誤差復映曲線的主要因素，我們通過實驗對其作了驗證。

（1）在結構上采用整體式，仍采用原來的刀具和切削條件，以避免實驗裝置結構對曲線的影響，但通過實驗所得數據畫出的曲線全部處于零線以下，整體呈現下凹的趨勢，是典型的負剛度問題，說明工藝系統產生的負剛度是影響曲線失真的一個主要因素，這在本次實驗中是個意外的收獲，只有先消除了負剛度，才能進一步驗證原裝置結構對曲線的影響是否是主要因素。因此，針對這個問題，決定從改變刀具幾何參數方面入手，將原來刀具的刃傾角λ從+3°改為-15°—-25°，即采用大負刃傾角，增大Fy/Fz的比值λ，提高刀尖部分的強度和剛度，使整個切削過程平穩，刀尖部分免受大的沖擊。利用改進后的刀具再在整體式裝置上采用原來條件下進行，得出數據全為正值，曲線基本呈上凸趨勢，但復映不明顯。消除負剛度后，再回頭考慮裝置結構對曲線的影響，將改進后的大刃傾角刀具在實驗裝置上進行實驗，發現所得到的曲線比較光滑，且有滯后現象，但曲線呈正負大致各半的狀態，與上述實驗相比較，可確定產生這種狀態的原因是原裝置中鍵與鍵槽，以及試件與芯軸配合間隙過大造成的。

（2）同時，在上述實驗中曲線有些微小波動，這是由試件測量表面質量差引起的。

1.3一系列的實驗表明，影響原實驗裝置誤差復映曲線失真的因素有下列幾個。

（1）工藝系統產生負剛度。

（2）原實驗裝置使用時間過長，由于結構上設計不合理，造成個部件間間隙過大，造成曲線失真。

（3）試件測量表面質量差，也是影響實驗的一個原因，但不是主要因素。

2.針對上述分析結果，對原實驗裝置提出了如下改進措施。

2.1結構上，為便于更換試件，仍采用裝配式，但各零件之間需加強接觸剛度，具體做法如下。

（1）試件與芯軸間采用1∶10的錐面配合，以提高其配合精度和同軸度，芯軸錐面經表面淬火處理，硬度為HRC35-45，避免芯軸在多次裝拆后產生劇烈磨損，保證其接觸精度。

（2）提高芯軸與偏心試件上鍵槽的對稱度，要求小于0.015mm，并采用半圓鍵聯接。

（3）提高芯軸夾持部分與中心孔的同軸度，并縮短芯軸夾持部分長度，采用B型中心孔，避免產生過定位。

2.2刀具方面。

（1）為能清晰地表示出誤差復映現象，使曲線更加清晰明了，同時為了消除工藝系統負剛度對其影響，采用了彈性機械夾固式刀具，刀頭牌號為YT15，彈性刀具在結構上采用了增大刀頭回轉半徑，增大開縫長度等措施，使其切削力的合力方向趨向于水平。

（2）刀頭部分主偏角為45°，采用了較大的刃傾角，λ在-25°左右，適當加大刀尖圓弧半徑，取r=0.25—0.4mm。

2.3試件材料方面。原來采用的鑄鐵試件牌號為HT200，試驗過程中沖擊較大，測量表面缺陷較多，因此，采用鑄鋼，能減小沖擊，提高測量表面質量。

3.經過上述改進后的實驗裝置，在CA6140普通車床上用彈性刀具進行試驗。

實驗條件：轉速n=100r/mm，s=0.61mm/r

偏心距e=2.21mm，切深a=4.5mm

試件直徑：Φ293mm，材料：鑄鋼

刀頭牌號：YT15

刀頭幾何參數：a=6°—8°，γ=5°—7°，λ=-20°—-25°，r=0.3—0.4mm，k=45°，k′=45°，b=0.3—0.5mm，b=0.03—0.08mm。

在這樣的實驗條件下所得到的復映曲線與理論曲線基本吻合，且有明顯的滯后現象，經幾次重復實驗后，實驗結果比較穩定。如圖2所示，至此誤差復映實驗的改進設計基本完成。

參考文獻：

［1］孟少農.機械加工工藝手冊［J］.機械工業出版社，1998.

［2］陸建中.金屬切削原理及刀具［J］.機械工業出版社，2005.7.