close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

/ Посмотреть

код для вставкиСкачать
Глава 7
Возможности повышения точности технологического размера
7.1. Модель формирования технологического размера
и его погрешности
Весь
процесс
однопереходной
обработки
в
одной
технологической системе условно можно разбить на три этапа:
установку, статическую настройку и динамическую настройку.
Каждый из этих этапов
представляет собой законченную
часть
обработки, независимую от других. Эти части, как правило, выполняются
последовательно во времени, в порядке приведенного их перечисления,
иногда установка и настройка меняются местами (например, при
обработке партии деталей с одной настройки) или совмещаются во
времени. Но последовательность выполнения этапов не меняет их
сущности и роли в процессе формирования получаемого после
обработки технологического размера.
Рассмотрим
технологического
содержание
размера
на
и
роль
примере
этапов
в
образовании
фрезерования
плоскости,
положение которой на призматической детали задано размерами AК и
αК (рис. 7.1., а).
Итак, первый этап – это
понимают
действия,
часть
установка. Под установкой
технологической
направленные
на
операции,
введение
включающей
заготовки
в
кинематические и размерные цепи ТС, а также на придание ей
определенного положения.
Содержание первого этапа полностью описывается теорией
базирования.
Установка
состоит
из
базирования
и
закрепления.
Достигнутое положение заготовки относительно выбранной системы
координат описывается размерами установки Ау – расстояние и αу –
263
относительный
поворот
технологической
базы
фактически
заготовки
достигнутого
относительно
ее
положения
требуемого
положения.
Рис. 7.1. Схемы формирования технологического размера
264
В партии устанавливаемых заготовок размеры
получают
рассеяние
по
некоторому
полю,
которое
установки
называют
погрешностью установки.
Этот краткий экскурс в теорию базирования для примера на
рис. 7.1 означает, что необходимо разработать схему базирования
заготовки так, чтобы конструкторские размеры AК и αК оказались бы и
технологическими. Такая схема базирования приведена на рис. 7.1,б.
Поверхности
технологической
базы
заготовки
материализуют
ее
собственную систему координат Х1О1Y1Z1 .
В качестве выбранной системы координат используем систему
XOYZ, построенную на исполнительных поверхностях установочных
элементов приспособления (рис. 7.1, в). При базировании доводим до
контакта в опорных точках 1 – 5 технологические базы заготовки с
исполнительными
поверхностями
установочных
элементов
приспособления. Достигнутое при этом положение фиксируем силовым
замыканием силой – зажима Q. В идеале этих процессов – совмещение
системы координат заготовки Х1О1Y1Z1 и приспособления XOYZ, однако
в силу ряда причин, рассмотренных в теории базирования, такого
совмещения не происходит и между соответствующими координатными
плоскостями в каждом координатном направлении образуются размеры
установки. Эта ситуация для координатного направления Z, в котором
предстоит получить
приведена
на детали размеры
АТ = АК
и
αТ = αК ,
на рис. 7.1,г.
Таким образом, в результате выполнения этапа установки в
технологической системе формируются размеры установки Ау и αу.
Конечно же, при установке партии заготовок эти размеры получат
рассеяние, и поля их рассеяния называют погрешностями установки
ωАу и ωαу, в общем случае обозначаемые ωу.
265
Второй этап - статистическая
настройка. Под статической
настройкой понимают совокупность действий, направленных на
придание
режущим
определенного
(находящейся
кромкам
начального
в
рабочего
положения
статическом
в
состоянии)
инструмента
неработающей
технологической
системе.
Положение режущих кромок инструмента определяется относительно тех же исполнительных поверхностей приспособления (или
станка), которые использовались на этапе установки для определения
положения заготовки, т.е. относительно плоскостей координатной
системы XOYZ.
В примере на рис. 7.1,д
положение инструмента в коорди-
натном направлении Z в статическом состоянии технологической
системы
определено
исполнительных
размерами
поверхностей
Асн
αсн
относительно
установочных
элементов
и
приспособления. Такие размеры называют размерами статической
настройки. Для формирования этих размеров в технологической
системе горизонтально-фрезерного станка необходимо установить на
шпиндель с помощью инструментальной оправки дисковую фрезу и
вертикальными перемещениями стола вместе с установленным на нем
приспособлением регулировать размер Асн. Размер αсн регулировке не
поддается
и
формируется
методом
взаимозаменяемости
после
установки фрезы на шпиндель. Из описания действий, выполняемых при
однократном
осуществлении статической настройки, следует, что
размеры Асн и αсн формируются с некоторыми отклонениями от
заданных их значений, а при повторах процесса (например,в случаях
замены затупившихся инструментов) размеры Асн и αсн претерпевают
рассеяние в некоторых пределах. Образующиеся поля рассеяния ωАсн
266
и ωαсн называют погрешностями статической настройки, в общем
случае обозначаемыми ωсн.
Третий
этап
–
динамическая
настройка.
Динамическая
настройка – это собственно обработка, т.е. непосредственное
взаимодействие режущих кромок инструмента с материалом
заготовки. В результате этапа создается на детали новая
поверхность, заданная конструктором.
Взаимодействие режущих кромок инструмента с материалом
заготовки сопровождается всей совокупностью явлений, присущих
процессу
резания:
возникают
силы
резания,
действующие
на
инструмент и заготовку, выделяется тепло пластической деформации
стружки и трения инструмента об обрабатываемую поверхность,
инструмент изнашивается и затупляется и т.д. В результате всех этих
процессов изменяется взаимное положение заготовки и инструмента,
достигнутое в статическом состоянии технологической системы на
первых двух этапах. В
примере на рис. 7.1,е под
действием
составляющей силы резания Ру инструмент перемещается в результате
упругих деформаций вверх, а заготовка –
вниз, в результате чего
размер Асн получает приращение. Размер Асн получает приращение
также
по
мере
износа
режущей
кромки
инструмента, тепловых
деформаций заготовки и т.д.
Все эти изменения взаимного положения заготовки и инструмента можно придать инструменту, сохранив мысленно положение
заготовки и других частей технологической системы, которые они имели
в статике. Тогда результат этих изменений можно описать размерами
Адн и
αдн, которые определяют положение режущей кромки
инструмента во время обработки относительно положения этой же
кромки в статике (см. рис. 7.1,е). Эти мысленно сконструированные
размеры
называют
размерами
динамической
267
настройки,
и
они
позволяют достаточно удобно провести анализ причин, вызывающих
изменения взаимного положения заготовки и инструмента и их роль в
формировании технологического размера на детали.
Ясно, что размеры Адн и αдн не сохраняют свою величину даже
при обработке одной заготовки, тем более в партии заготовок. Из
теории резания известно, что, например, сила Ру пропорциональна
припуску и твердости материала, а эти величины ни на одной
заготовке, ни в партии заготовок не являются константами. При
затуплении инструмента сила Ру существенно возрастает (до 30%
первоначальной величины). Ясно, что переменная величина силы Ру
вызовет в технологической системе различные по величине упругие
перемещения инструмента и заготовки. Распределение потоков тепла в
технологической системе не сохраняется во времени и пространстве,
что также приводит к колебаниям размеров А и αдн. Поля рассеяния
ωАдн и ωαдн размеров Адн и αдн называют погрешностями
динамической настройки и обозначают в общем случае ω
В
результате
выполнения
всех
трех
этапов
дн
.
получаем
обработанную деталь с технологическими размерами АТ и αТ . Из
схемы на рис. 7.1,ж видно, что эти размеры образуют вместе
размерами Aу, Aсн, Aдн и αу ,αсн, αдн замкнутые контуры. Эти
замкнутые контуры отвечают определению размерной цепи, так как
размеры Ау, Асн, Адн и αу ,αсн, αдн образуются в технологической
системе в разное время и независимо друг от друга и каждый из них
участвует в решении поставленной технологической задачи: создание
на готовой детали размеров АТ = АК и αТ = αК, Эти размерные цепи
и
представляют
собой
модели
формирования
размеров. На основании теории размерных цепей:
268
технологических
АТ = ξу Ау + ξсн Асн + ξдн Адн,
αТ = ξуα у + ξсн αсн + ξдн αдн
(7.1)
ωАТ = ω Ау + ω Асн + ω Адн,
ωαТ = ωα у + ω αсн + ω αдн
(7.2)
или в общем виде:
ωАТ = ωу + ωсн + ωдн,
(7.3)
т.е. погрешность технологического размера при обработке есть сумма
погрешностей установки, статической и динамической настроек. Из (7.3)
следует,
что
повышения
точности
обработки,
т.е.
уменьшения
погрешности технологического размера, можно добиться, уменьшая
погрешности установки, статической и динамической настройки. Ясно,
что наибольшего эффекта можно добиться при уменьшении всех трех
слагаемых. Для реализации этих идей необходимо знать причины
появления погрешностей ωу , ωсн , ωдн и возможные меры воздействия
на их величину.
7.2. Источники появления погрешности установки
и пути ее уменьшения
7.2.1. Способы установки заготовки в технологическую систему
Установка имеет своей целью введение заготовки в размерные
цепи технологической системы и по содержанию – "присоединение"
заготовки к приспособлению или станку, – может быть осмыслена как
этап
"сборки"
технологической
системы.
Результат
установки
–
достигнутое положение заготовки в технологической системе – в теории
базирования оценивается по отношению к требуемому положению
размером
установки
А у.
Как
и
всякий
результат
сборочного
технологического процесса, этот размер может в принципе достигаться
одним из шести методов достижения точности замыкающего звена
269
размерной цепи. В практике механической обработки при установке
заготовок
используют
два
метода:
взаимозаменяемость
и
регулирование с подвижным компенсатором.
В зависимости от используемого метода достижения точности
Ау
размера
различают
два
способа
установки
заготовок:
в
приспособление и с выверкой положения заготовки на станке. При
первом способе требуемое положение заготовки (величина Ау в
заданных
пределах)
технологические
базы
достигается
входят
в
всякий
раз,
контакт
с
как
только
ее
исполнительными
поверхностями установочных элементов приспособления, т.е. методом
полной взаимозаменяемости. Пример такого способа
установки
приведен на рис.7.1.
При втором способе установки заготовка может во время ее
базирования перемещаться в нескольких координатных направлениях
(т.е. заготовка является подвижным компенсатором). Достигнутое
положение
технологической
базы
относительно
исполнительных
поверхностей станка проверяется измерительным инструментом и по
результатам измерения определяются и вносятся поправки в размеры
Ау , и αу. Процесс измерения и внесения поправок называют выверкой, а
способ – установкой с выверкой положения заготовки.
Например, на рис. 7.2 приведена схема установки с выверкой
по разметке корпусной детали. На столе вертикально-фрезерного станка
(это может быть также на столе продольно-строгального или продольнофрезерного)
устанавливается
заготовка
корпуса
для
обработки
плоскости основания. Будущая обработанная поверхность нанесена на
заготовку разметкой накерненными линиями. Эти линии используются
для проверки положения заготовки относительно плоскости 4 стола
станка. Положение накерненных линий в координатных направлениях Z
и Y измеряется штангель-рейсмусом 2, который задает требуемую
270
величину размера Ау. Изменение положения заготовки в направлении Z
и повороты ее относительно осей координатной
XOYZ
осуществляются
системы
станка
регулируемыми опорами 3. Высота каждой
из четырех используемых опор изменяется (это может осуществляться
винтовой парой, клиновым механизмом, гидроцилиндром или другим
механизмом,
встроенным
в
опору).
Таким
образом,
перемещая
штангель-рейсмус по плоскости стола в направлениях X и Y вдоль
пакерненных линий, судят о степени достижения требуемого положения
заготовки и вносят при необходимости поправки путем изменения
размеров Н опор. После достижения требуемого положения заготовки
его фиксируют зажимом.
Рис 7.2. Схема установки заготовки корпуса на станке
с выверкой о технологической базе в виде разметочной линии
В рассматриваемом примере технологической базой является
та воображаемая будущая обработанная плоскость X1O1Y1, намеченная
на заготовке разметочными линиями, которые используются для
проверки достигнутого положения заготовки.
271
Рис.7.3. Установка с выверкой заготовки червячного колеса
на зубофрезерном станке
В других случаях для этой цели могут использоваться реальные
поверхности заготовки, ее линии (оси) или точки. На рис. 7.3. приведена
схема установки с выверкой червячного колеса на зубофрезерном
станке. Выверкой добиваются соосности наружного цилиндра D ступицы
колеса c осью вращения стола, т.е. совмещаются ось Z1 собственной
системы координат технологической базы с осью Z системы координат
станка. Проверка положения оси цилиндра D
осуществляется с
помощью
на
магнитной
направляющей
станка.
стойки,
закрепленной
Необходимые
перемещения
вертикальной
заготовки
в
направлениях X и Y осуществляют до закрепления ее силами Q на
резьбовой оправке. Хотя измерение ведется по точкам поверхности D,
их положение остается неопределенным и неизвестным в пределах
допуска на радиус цилиндра D. Здесь двойной опорной базой служит
центр окружности цилиндра D в сечении, где производится измерение и
регулирование радиуса от оси вращения до точек поверхности D,
добиваясь
R = const. Именно эта точка - центр окружности D и служит
технологической базой в координатных направлениях X и Y. Таким
272
образом, поверхности, линии и точки, используемые для выверки, и
образуют технологическую базу заготовки. Они никогда не контактируют
с
опорами
или
исполнительными
поверхностями
станков
или
приспособлений в отличие от первого способа, когда такой контакт
технологической базы является обязательным условием и залогом
достижения
требуемого
положения
заготовки.
В
технологической
литературе некоторые авторы технологические базы, используемые для
выверки, называют проверочными [5].
7.2.2. Структура погрешности
установки заготовки
Теория базирования дает нам структурную формулу (4.2)
погрешности установки:
ωУ = f (ωОБ ,ωВБ, ωНБ, ωЗ)
(4.2)
Эта структурная формула показывает источники появления погрешности
размера установки Ау в случае установки детали в машину
сборке.
Поскольку
установка
при
заготовки представляется как один
из этапов сборки технологической системы, то в принципе этой же
формулой
может
быть
описана
и погрешность
установки
заготовки. Необходимо только уточнить применительно к этому случаю
физический смысл ее структурных составляющих.
Функцию основной базы при установке заготовки на станке
выполняет ее технологическая
основной базы
ωОБ
база
и
поэтому погрешность
трансформируется в погрешность изготовления
технологической базы ωТБ. В схеме установки на рис. 7.1. эта
погрешность представляет собой погрешность
базы
–
ее
неплоскостность.
В
схеме
формы установочной
на рис. 7.3 на точность
достигнутого при выверке положения оси поверхности D в сечении
измерения окажет влияние погрешность ее формы в радиальном
сечении – некруглость поверхности D. Величина этой некруглости в этом
273
ωТБ для размеров установки в координатных
случае и составит
ωТБ, относящуюся к Ау в
направлениях Х и Y. В схеме на рис. 7.2
координатном направлении Z, образует неплоскостность установочной
технологической
базы,
которая
представляет
собой
неточность
нанесения разметочных линий (погрешность операции разметки).
Функцию вспомогательной базы при установке заготовки в
технологическую систему
выполняют исполнительные поверхности
станка или установочных элементов приспособления, материализующие
выбранную систему координат, относительно которой определяется
положение заготовки. Поэтому ωВБ представляет собой погрешность
исполнительных поверхностей приспособления пли станка. Величина
этой
погрешности
определяется
первоначальной
неточностью
изготовления этих поверхностей ωизг, полученной при изготовлении
станка
или
приспособления,
погрешностью
эксплуатации,
ωизн,
и
накопленной
вызванной
их
дополнительной
износом
при
т.е. ωВБ =φ(ωизг, ωизн).
Так, в схеме на рис. 7.2 на результат измерения при выверке,
конечно же, окажет влияние неточность (неплоскостносгь) зеркала
стола, которую оно имеет в момент измерения. В схеме на рис.
счет
неравномерного
установочных
элементов
износа
со
7.1 за
исполнительных поверхностей
временем
существенно
изменяется
величина Ау, в схеме на рис. 7.3 на результат выверки окажут влияние
зазоры
в
подшипниках
вращающегося
стола станка. В разные
моменты эксплуатации станка величина этой неточности будет разная, и
ее изменение определяется величиной и характером износа плоскости
стола.
При
структура
установке
погрешности
заготовок
ωНБ,
в
приспособление
вызванная
смысл и
неопределенностью
базирования, аналогичны случаю установки детали в машину при
274
сборке, т.е. эта погрешность
базирования
содержит
имеет место тогда, когда
неопределенность,
а
ее
схема
величина
определяется пределами возможных перемещений заготовки во время
базирования. Например, при установке деталей типа «втулка» на
оправку
с
гарантированным
шлифовального
и др.)
станка
базового
отверстия
смещения
оси
базового
цилиндра
радиального
зазором
оправки
гарантированного
токарного (фрезерного,
появляется
в
зазора.
возможность
втулки относительно
оси
пределах минимального
Это смещение и есть ωНБ .
При установке же заготовок с выверкой неопределенность
базирования имеет место практически всегда, так как заготовка
перемещается во время базирования. Пределом величины таких
неуправляемых перемещений выступает в этом случае погрешность
измерения, обусловленная выбранной схемой измерения, точностью
применяемого
измерительного
инструмента,
квалификацией
и
индивидуальными особенностями рабочего. Например, в схеме на рис.
7.3 положение центра поверхности D останется неопределенным в
пределах точности деления используемого индикатора, в схеме на
рис. 7.2. положение плоскости X1O1Y1 неопределенно в пределах
погрешности
измерения
штанген-рейсмусом.
Таким
образом,
при
установке с выверкой можно полагать, что ωНБ = ωизм.
Необходимость
и
назначение
силового
замыкания
сохраняется во всех случаях установки, будь то установка детали в
машину при сборке, установка заготовки в приспособление или
установка заготовки с выверкой и, следовательно, при установке
заготовки в технологическую систему всегда может иметь место
погрешность закрепления ωз.
Таким образом, структурная формула погрешности установки
(4.2) конкретизируется для случая установки в приспособление:
275
ωБ = f(ωTБ , ωизг, ωизн, ωНБ, ωз)
Формула
(7.4)
погрешности
показывает
установки
причины
заготовок
и
в
(7.4)
источники
образования
технологическую
систему
и
позволяет определить возможные пути и меры для ее уменьшения.
7.2.3. Пути и меры уменьшения погрешности установки заготовок
Погрешность установки как суммарную погрешность этапа
обработки, очевидно, можно уменьшить за счет уменьшения каждой из
составляющих ее элементарных погрешностей.
Погрешность
технологической
ωTБ
базы
можно
уменьшить, действуя в трех направлениях:
 оптимизировать схему базирования;
 снижать степень влияния неточности технологической базы
на результат установки;

повышать точность изготовления технологической базы.
Оптимизации
поверхностями
технологической
подлежит
(линиями,
базы.
распределение
точками),
Например,
функций
включенными
если
между
в
состав
технологическую
базу
составляют три плоскости, то каждую из них можно использовать как
установочную, направляющую или опорную базу, а общее число
вариаций распределения функций внутри этого комплекта поверхностей
в схеме базирования окажется равным шести. Нетрудно убедиться в
том, что эти вариации приводят
составляющим
погрешности
и к различным
установки.
Напомним
по величине
здесь
правила
выбора оптимального распределения функций, сформулированные в
главе 4:
Правило 1. Функцию направляющей следует придавать базе,
имеющей наибольшую протяженность в интересующем координатном
направлении.
276
Правило 2. Так как установочная база лишает заготовку
поворотов относительно двух координатных осей, то эту функцию
сдедует придавать поверхности, имеющей наибольшую протяженность в
двух координатных направлениях.
Правило
3.
Функцию
опорной
следует
придавать
базе,
имеющей наименьшие габариты (вплоть до точки).
Правила
поверхностей
в
распределения
других
типовых
функций
схемах
внутри
комплектов
базирования
подробно
рассмотрены в главе 4.
В конструкциях реальных деталей не всегда удается решить
проблему оптимизации в связи с тем, что поверхности, включенные по
вполне обоснованным причинам в технологическую базу, не вполне
отвечают требованиям сформулированных правил. В этих случаях
технологу приходится вносить изменения в конструкцию заготовки с
целью придания поверхности необходимых
свойств. Эти изменения
могут быть временными и ликвидироваться в конце обработки детали
(см. пример на рис. 6.19) или остаться в ней, если они не мешают
выполнению
ее
служебного
назначения
(например,
центровые
отверстиия).
Погрешности изготовления технологической базы, и, прежде
всего погрешности ее формы, приводят к тому, что фактическое
положение опорных точек становится неопределенным, а это означает,
что в значительных пределах могут колебаться расстояния между ними,
следовательно, и меняться размер установки.
Для повышения
определенности положения опорных точек применяют установочные
элементы
приспособлений,
имеющие
достаточно
ограниченную
поверхность контакта с технологической базой. Соответствующим
расположением таких установочных элементов в значительной степени
локализуют положение опорных точек. Например, в схеме установки на
рис. 7.1. использование трех установочных элементов небольшого
277
диаметра
позволяет
существенно
уменьшить
влияние
макрогеометрических отклонений технологической базы (вогнутость,
выпуклость и т.п.) на расположение опорных точек 1,2,3.
Существенно
повышением
снизить
точности
погрешность
технологической
базы.
установки
можно
Эту
можно
идею
реализовать несколькими способами. Если речь идет об установке в
приспособление, то при выборе технологической базы для чистовых
операций
следует
использовать
наиболее
точно
обработанные
поверхности. Если этого не удается сделать, достаточно часто идут на
назначение
особых
технологических
допусков
и
требований
к
поверхностям технологической базы, значительно более жестких, чем
конструкторские. Например, широко распространена схема базирования
корпусных деталей на плоскость и два отверстия, оси которых
перпендикулярны к ней (см. пример на рис. 6.18 в главе 6). Обычно в
конструкции корпусов такие отверстия –
крепежные, конструкторские
требования к точности их диаметров и межосевых расстояний невысоки.
Для снижения погрешностей установки два отверстия выделяются, к их
точности и к их взаимному расположению предъявляют повышенные
требования, вводятся дополнительные технологические переходы для
их обработки, совсем не нужные с точки зрения служебного назначения
детали.
Для черновых же (первых) операций следует использовать
такие поверхности, которые в процессах заготовительного производства
могут быть или получаются наиболее точными. Рекомендуется поэтому
использовать в качестве черновых технологических баз
поверхности,
параллельные плоскостям разъема штампов или литейных форм, так
как они не имеют штамповочных или литейных уклонов и не несут на
себе следов разъема в виде заусенцев. Поверхности технологической
базы
должны быть нижними при заливке формы, чтобы исключить
278
влияние пор, раковин, напусков, характерных для поверхностей, верхних
при заливке.
При установке с выверкой точность технологической базы
–
это точность поверхностей, по которым ведут выверку. Если измерение
достигнутого положения заготовки ведется по реальным поверхностям,
то все вышесказанное относится и к этому случаю. При использовании
же в качестве технологической базы
технологической базы
разметочных рисок точность
полностью определяется точностью разметки.
Точность разметки зависит от качества разметочных инструментов
(кернов,
чертилок
и
т.п.),
точности
используемых
мерительных
инструментов и, конечно же, от квалификации разметчика.
Погрешность состояния выбранной системы координат
ωВБ=φ(ωизг,ωизн) можно уменьшить, действуя в двух направлениях:
применением станков и приспособлений более высокой точности и
снижением влияния износа исполнительных поверхностей станков и
установочных элементов приспособлений. Что касается износа, то для
уменьшения его влияния следует ограничить величину допустимого
износа. Это предполагает систематический контроль состояния станков
и
приспособлений,
своевременный
их
ремонт.
Для
увеличения
межремонтных периодов при жестких допусках на износ следует
применять для изготовления установочных элементов износостойкие
материалы вплоть до твердых сплавов, а также специальные методы
термического
и
химико-термического
упрочнения
исполнительных
поверхностей.
Погрешность
от
неопределенности
базирования.
Кардинальным направлением уменьшения влияния погрешности от
неопределенности базирования ωНБ является исключение из схемы
базирования этого явления. Если же по каким-то причинам исключить
неопределенность
базирования
нельзя,
то
следует
ограничить
минимальные гарантированные зазоры в подвижных соединениях, в
279
пределах которых и оказывается неопределенным положение заготовки.
Если же установка осуществляется с выверкой, то для снижения
неопределенности
следует
применять
контрольно-измерительный
инструмент более высокой точности. При выверке по разметке на
погрешность ωНБ
оказывает влияние толщина разметочных рисок и
линий, в пределах которой положение заготовки оценивается как
достигнутое. С этой точки зрения следует повышать качество разметки
за счет применения более точных разметочных инструментов. Большое
влияние на результат выверки оказывает и квалификация станочника,
поэтому
ее
повышение
следует
признать
средством
снижения
составляющей ωНБ погрешности установки.
Погрешность
закрепления
ωЗ
закрепления.
можно
добиваться
Уменьшение
в
двух
погрешности
направлениях:
1)
уменьшением величины упругих деформаций в заготовке и в опорных
точках
и
2)
ограничением
колебаний
величины
силы
Q,
осуществляющей силовое замыкание.
Величину упругих объемных деформаций заготовки можно
уменьшить правильным выбором точек приложения сил Q. Следует
выдерживать условие, чтобы сила Q с вызванными ею реакциями в
опорных
точках
не
создавала
изгибающих
моментов,
объемно
деформирующих заготовку (см. пример на рис. 7.4). Для уменьшения
упругих контактных деформаций необходимо направлять силу Q на тот
установочный элемент, с которым
поверхность
изготовления
качество
контакта;
применять
заготовка
высокопрочные
установочных элементов
исполнительных
поверхностей
(прежде всего, снижать их шероховатость).
280
имеет
наибольшую
материалы
для
приспособлений;
повышать
установочных
элементов
Рис. 7.4. Влияние расположения точек приложения сил зажима на объемную
деформацию заготовки
Ограничение
колебаний
величины
сил
зажима
Q
в
приспособлениях добиваются применением механизированного привода
(пневматического, гидравлического, электрического и т.д.) взамен
ручного. При использовании ручных зажимов (что характерно для
индивидуального и мелкосерийного производств) снижения колебаний
сил зажима Q можно добиться применением специальных тарированных
ключей.
Пути и меры уменьшения погрешности установки заготовок
приведены в таблице. 7.1.
Таблица 7.1.
Возможности уменьшения погрешности установки
Элементарная
Направления
составляющая
погрешность
1
2
ωТБ
Оптимизация схемы
базирования
1
Мероприятия
3
Включение в технологическую базу поверхностей,
отвечающих признакам
установочной,
направляющей, опорной и т.д. баз. Внесение
конструктивных изменений в заготовку.
Уменьшение степени
влияния погрешности
базы на погрешность
установки
Локализация положения опорных точек за счет
конструкции установочных элементов приспособления.
Повышение точности
технологических баз
Включение в технологическую базу наиболее
точных поверхностей заготовки. Построение
заготовительных технологических процессов,
обеспечивающих
наибольшую точность
выбранных черновых технологических баз.
Назначение на поверхности технологических баз
более жестких технологических допусков.
Повышение точности разметки.
3
2
281
ωВБ
Повышение
точности
исполнительных
поверхностей станков и
установочных
элементов
приспособлений
Снижение
износа
исполнительных
поверхностей
станков и установочных
элементов
приспособлений
Выбор станков более высокой точности.
Назначение жестких допусков на размеры, форму
установочных элементов приспособления, а
также на их взаимное расположение
Регулярный
контроль состояния станков и
приспособлений. Ограничение допустимых
величин износа установочных элементов
приспособлений. Своевременный ремонт станков
и приспособлений.
Применение износостойких материалов для
изготовления установочных элементов.
Применение специальных методов термической
и химико-термической
обработки установочных элементов
Устранение влияния
ωНБ на ωу
Выбор схем базирования
без неопределенности
Ограничение минимальных
гарантированных
Уменьшение величины
зазоров при реализации схем базирования с неωНБ
определенностью Повышение
качества
разметки
(уменьшение толщины
разметочных линий) Повышение квалификации
рабочего-станочника
Уменьшение величины Правильный выбор направления и точки приупругих деформаций в ложения силы зажима Применение малоупругих
опорных точках и в
материалов для установочных элементов
объеме заготовки
Повышение качества исполнительных
поверхностей
установочных элементов
Ограничение колебаний Применение механизированных сплавов привосил зажима
дов приспособлений Применение тарированных
ручных зажимов
ωНБ
ωЗ
7.3. Источники погрешности статической настройки
и пути ее уменьшения
Для
выявления
погрешности
статической
проанализировать
статической
положение
возможных
и
настройки
описать
настройки.
в
процесс
Этот
исполнительных
приспособления
источников
описывает
поверхностей
282
необходимо
формирования размера
размер
подготовленной
появления
к
взаимное
инструмента
работе
и
(собранной)
технологической системе и, следовательно, должен быть замыкающим
звеном в некоторой размерной цепи, составляющими звеньями которой
будут размеры отдельных
системы.
Таким
статической
системе
образом,
настройки
этой
технологической
процесс формирования
в
размера
каждой конкретной технологической
может и должен быть описан соответствующей размерной
цепью, и
звено
элементов
согласно теории размерных цепей, каждое составляющее
этой цепи
укажет
независимый
источник погрешности
замыкающего звена.
Любой металлорежущий станок имеет в своей конструкции
механизмы,
которые
позволяют
устанавливать
режущие
кромки
инструмента в направлении получаемого линейного размера
на
требуемом расстоянии от исполнительных поверхностей станка или
приспособления. Поэтому достижение точности размера статической
настройки на линейный размер всегда осуществляется по методу
регулирования
подвижным
компенсатором.
Точность
же
угловых
размеров статической настройки (параллельность, перпендикулярность)
всегда
достигается
методами
полной
или
частичной
взаимозаменяемости, так как станки не имеют устройств для изменения
углового
положения
своих
исполнительных
поверхностей
или
исполнительных поверхностей приспособления для установки заготовки.
Не имеют, как правило, таких устройств и приспособления для установки
заготовок. Поэтому достижение требуемой точности угловых размеров –
всегда более сложная и трудная задача по сравнению с достижением
точности линейных размеров.
Для
иллюстрации
рассмотрим
пример
на
рис.
7.5,
где
приведены размерные цепи статической настройки на размер Асн и
относительный поворот αсн технологической
фрезерования
плоскости
системы
для
на заготовке, контуры которой нанесены
пунктирными линиями.
283
Рис. 7.5. Размерные цепи статической настройки технологической системы
вертикально-фрезерного станка
Размер
Aсн от плоскости исполнительных поверхностей
установочных элементов приспособления до вершины зуба фрезы
формируется в технологической системе при подъеме стола станка до
контакта
вершины
зуба
со
щупом,
положенным
на
установ
приспособления. Тогда Асн = БΔ – замыкающее звено размерной цепи,
составляющие звенья которой Б1 - размер приспособления между
плоскостью исполнительных
элементов
поверхностей
установочных
и плоскостью установа; Б2 – размер щупа. Из размерной
цепи:
ωАсн= ω БΔ = ωБ1 + ωБ2,
284
Это
уравнение
показывает
источники
ωАсн
погрешности
и описывает формирование ее величины. По физическому смыслу ωБ1 –
неточность изготовления приспособления;
ωБ2
– погрешность
измерения, вызванная неточностью изготовления мерителя-щупа и
неточностью определения момента контакта зуба фрезы со щупом.
Поворот (непаралельность) αсн
плоскости вращения вершин
зубьев фрезы относительно плоскости исполнительных поверхностей
установочных элементов является замыкающим звеном размерной цепи
γΔ = αсн, составляющие звенья которой: γ1 –
поворот (непарал-
лельность) плоскости установочных элементов относительно плоскости
основания
(основной
базы)
корпуса
приспособления;
γ2
–
неперпендикулярность оси шпинделя к плоскости стола станка; γ2 –
неперпендикулярность
плоскости
расположения вершин зубьев
фрезы к оси вращения шпинделя. Из этой размерной цепи:
ωαсн = ω γΔ = ω γ1 + ω γ2 + ω γ3
где ω γ1 – погрешность изготовления приспособления;
ω γ2 – погрешность используемого станка, зависящая от неточности
его изготовления и последующего неравномерного износа в подвижных
соединениях;
ω
γ3
–
погрешность
установки
инструмента
(фрезы)
в
технологическую систему.
Каждое из составляющих звеньев размерной цепи γ в свою
очередь является замыкающим звеном соответствующей производной
размерной цепи, существующей в одной из подсистем технологической
системы: приспособлении, станке, инструменте и т.д. Эти производные
размерные цепи приведены на рис. 7.6. Из таких размерных цепей могут
быть выявлены причины, источники элементарных составляющих
погрешности статической настройки и пути воздействия на них.
285
Рис. 7.6. Размерные цепи подсистем технологической системы
вертикально-фрезерного станка
Так, размерная цепь β (см. рис. 7.6,а) показывает роль
отдельных деталей приспособления и его сборки в образовании части
погрешности
статической
  СН = ωγ1. Анализ
настройки
размерной цепи дает нам путь сокращения   СН
–
этой
повышение
точности изготовления приспособления и соответствующие конкретные
меры на этом пути:
– повышение точности изготовления деталей приспособления
по размерам β1 и β2 ;
– обработка
исполнительных
поверхностей
установочных
элементов после сборки приспособления в размер γ1.
Из размерной цепи η (см. рис. 7.6,б) вытекает другой путь
уменьшения
статической
  СН – повышение
настройки
точности
станка
технологической системы.
направлении возможны следующие меры:
286
на
В
момент
этом
– выбор станка более высокой точности (γ2= η Δ - нормируемая
величина неточности изготовления станка);
–
своевременный
утраченной из-за
ремонт
неравномерного
станка
износа
для
восстановления
направляющих точности
по размерам η 1, η 2, η 3 , η4.
Из размерной цепи θ (см. рис. 7.6,в) следует, что для
уменьшения части погрешности статической настройки ωγ3 = ωθΔ
следует повышать точность изготовления инструмента (по размеру θ1) и
точность установки его на шпиндель станка (по размеру θ2).
Анализируя
аналогичным
образом
различные
конкретные
случаи статической настройки разных технологических систем, можно
выявить все возможные пути и меры уменьшения погрешности
статическое настройки, приведенные в таблице 7.2.
287
Таблица 7.2
Пути уменьшения погрешности статической настройки
Источник
Направление
Мероприятия
действий
1
2
Оборудование
Повышение геометрической точности
оборудования
Приспособление Повышение
геометрической
точности
приспособления
Рабочий
инструмент
Повышение
геометрической
точности
инструмента
Измерительный
инструмент и
процесс
измерения
Повышение точности измерения
Рабочийналадчик
Уменьшение
влияния
индивидуальных
особенностей
рабочего
3
Выбор оборудования более высокой
точности. Регулярный ремонт
Повышение точности изготовления
приспособления по размерам:
- координирующим исполнительные
поверхности установочных элементов
относительно
основной базы
приспособления;
- координирующим элементы для
определения
положения инструментов (установы,
кондукторные втулки и т.д.)
относительно исполнительных
поверхностей установочных элементов.
Обработка исполнительных поверхностей
установочных элементов в собранном
приспособлении «по месту».
Применение в конструкциях
приспособлений специальных устройств
для повышения точности установки
приспособления на станок.
Своевременный
ремонт или замена
изношенных деталей.
Повышение точности изготовления
инструментов по размерам:
- основной базы;
- координирующим рабочие кромки
относительно
основной базы
Применение более точных
измерительных инструментов.
Применение более точных встроенных в
станок или приспособление
измерительных устройств (лимбов, щупов,
калибров и т.п.). Применение
специальных устройств для определения
момента контакта инструмента с
измерителями
Повышение квалификации рабочегостаночника. Поручение наладочных работ
наладчику.
288
7.4. Источники погрешности динамической настройки
и пути ее уменьшения
Во время обработки в зоне резания и во всех частях
технологической системы протекают процессы различной физической,
химической, физико-химической и др. природы, в результате которых
взаимное положение заготовки и инструмента изменяется. К числу таких
процессов относятся: динамика резания; пластическая и упругая
деформации материала заготовки и отделяемого слоя; тепловыделение
в зоне резания, в приводах и подвижных соединениях технологической
системы; трение и износ в зоне резания и в подвижных соединениях;
вынужденные и собственные колебания (вибрации) технологической
системы;
химическое
и
электрохимическое
взаимодействие
инструмента, СОЖ и обрабатываемого материала; теплопередача
внутри технологической системы от более нагретых к менее нагретым
частям; теплообмен технологической системы с окружающей средой и
т.д.
Описать результат воздействия этих процессов на технологическую
систему можно с двух принципиально разных точек зрения. Во-первых,
можно рассматривать и описывать воздействие этих процессов на
каждую часть технологической системы, и с этой точки зрения в
размерных цепях статической настройки (рис. 7.5, 7.6) определять
изменение каждого из составляющих звеньев. Например, можно изучать
роль приспособления и рассматривать влияние неравномерного его
нагрева на звено γ1 (рис. 7.5), или же изменение этого звена γ1 в
результате объемных и контактных упругих деформаций, возникающих в
приспособлении под действием силы резания. Можно изучать роль рабочего инструмента и рассматривать изменения звена γ3 (рис. 7.5),
которые возникают в результате нагрева и частичного охлаждения зуба
фрезы за время одного ее оборота, либо в результате объемной
289
тепловой деформации всей фрезы как сборочной единицы, либо другие
деформации фрезы под действием сил резания и т.д. Такой подход
удобен при изучении отдельных частей технологической системы и
характерен для смежных учебных дисциплин технологического цикла
"Теория резания", "Металлорежущие станки", "Проектирование режущих
инструментов" и т.д.
Объектом же изучения технологии машиностроения является
вся работающая технологической система и ее воздействие на
результат – получаемый размер. С этой точки зрения все указанные
выше
изменения
в
звеньях
приводят
к
изменению
взаимного
расположения рабочих кромок инструмента и заготовки. Для оценки
этого суммарного воздействия удобно пользоваться понятием размера
динамической настройки, который практически невозможно измерить, он
конструируется нами мысленно, но с его помощью удобно выполнить
анализ воздействия всех процессов, сопровождающих собственно
обработку, на получаемый технологический размер.
Еще раз напомним, что размеры динамической настройки расстояние Адн и относительный поворот αдн - описывают положение
режущих кромок инструмента во время работы относительно их
положения, полученного после выполнения статической настройки. Эти
размеры не остаются постоянными даже во время обработки одной
детали, они вбирают в себя все изменения, возникающие в размерных
цепях технологической системы под действием разнообразных причин.
Каждая их этих причин приводит к некоторому колебанию размеров, а
все вместе они обуславливают поля рассеяния ωАдн и ωαдн за время
обработки партии деталей, и эти поля представляют собой погрешности
динамической настройки. Рассмотрим роль различных процессов,
протекающих
в
технологической
системе,
на
величину
погрешностей и возможные действия для их уменьшения.
290
этих
7.4.1.Жесткость технологической системы как причина
возникновения части погрешности динамической
настройки
В
теоретической
механике
способность тела сопротивляться
жесткость
определяется
возникновению
в
нем
как
упругой
деформации под действием некоторой силы. Количественно эту
способность определяют отношением
j
P
y
Н/м
(7.5)
где j - жесткость тела;
Р - действующая на тело сила;
y – упругая деформация, вызванная силой Р, в направлении действия
этой силы.
Теоретическая механика оперирует понятием абсолютно жесткого
тела, в котором у = 0 при любом Р. Из (7.5) вытекает, что абсолютно
жесткое тело обладает бесконечной жесткостью. Реальные же тела
абсолютной жесткостью не обладают и имеют некоторое конечное
значение ее величины j, Н/м (кгс/мм), из чего вытекает, что сила Р в
реальном теле вызывает некоторую упругую деформацию:
y
P
,
j м
(7.6)
Любая технологическая система представляет собой систему
реальных тел и, следовательно, обладает некоторой конечной по
величине жесткостью. В результате этого под действием силы резания
в ней обязательно возникнут упругие деформации всех нагруженных
этой
силой
частей,
которые
просуммируются
в
виде
упругого
относительного перемещения режущей кромки инструмента и заготовки.
291
В связи с тем, что нас интересует влияние этого упругого
перемещения на получаемый размер, который всегда измеряют по
нормали
к
обрабатываемой
поверхности,
количественной
мерой
жесткости в технологии машиностроения принято отношение
jТС 
Py
yТС
, Н/м
(7.7)
где Ру - радиальная (нормальная) составляющая силы резания; уТС –
упругая деформация в технологической системе, измеренная по
нормали к обрабатываемой поверхности (см. рис. 7.7)
Рис.7.7. Влияние упругой деформации технологической системы на получаемый при
обработке размер: а) – при точении; б) – при фрезеровании
В технологии машиностроения для характеристики состояния
технологической системы наряду с жесткостью иногда используют
обратную ей величину - податливость:
w
1
jТС
м/Н
Податливость оценивает способность технологической системы упруго
деформироваться под действием силы и количественно представляет
292
собой упругое перемещение, приходящееся на единицу действующей
силы.
Уравнение (7.7) можно переписать относительно уТС:
yТС 
Py
jТС м
(7.8)
Будь отношение (7.8) постоянным при обработке, величину уТС
можно было бы компенсировать, как это видно из схем на рис. 7.7,
соответствующей поправкой в размер статической настройки Асн.
Однако величина уТС ≠ const. Во-первых, потому, что числитель
отношения (7.8) не постоянен, т.е. Ру ≠ const, во-вторых, и знаменатель
также не постоянен,
jТС ≠ const. Из теории резания, например, для
точения:
m
x
y
Py  C Py t S HБ
z
K ,
(7.9)
i
i 1
Где:
– t – глубина резания, t ≠ const, так как при одной и той же
настройке технологической системы на размер Асн
заготовки,
диаметр
которых
изменяется
от
обрабатываются
максимального
до
минимального в пределах допуска, вследствие чего изменяется и
глубина резания в пределах
1
1 max
min
t  Td заг  ( d заг
 d заг
)
2
2
– S – подача в мм/об, обычно принимают S =const, хотя в
реальных передачах (зубчатых, винтовых и др.) всегда имеет место
кинематическая погрешность, в результате чего S в небольших
пределах колеблется.
– НБ – твердость обрабатываемого материала (в некоторых
случаях вместо НБ в подобные формулы вводят другие показатели
физико-механических свойств обрабатываемого материала – σв,στ и
293
др.); свойства материала в партии заготовок всегда колеблются в
некоторых пределах, возможны местные изменения свойств даже в
пределах одной заготовки (отбел чугуна, неравномерность твердости
после термообработки и т.д.).
m
–
K
i
– произведение поправочных коэффициентов; в расчете
i 1
Ру среди Кi есть коэффициент К3, учитывающий прирост силы Ру при
затуплении инструмента. Например, для точения К3 = 1,3, что означает,
что сила Р у возрастает к концу периода стойкости на 30% по сравнению
с работой острым инструментом.
Из сказанного и из формулы (7.9) следует, что сила при
обработке партии деталей колеблется в пределах
Py  CPY t x S y HБ z K 3 .
Естественно,
что
эти
(7.10)
колебания
силы
порождают
в
технологической системе соответствующие колебания величины упругих
деформаций при обработке партии заготовок, разность величин которых
и представляют собой часть погрешности динамической настройки
 
yТС  дн
 ;
 дн
Py
(7.11)
jТС
Второй причиной колебаний ΔуТС
согласно формуле (7.8)
является то, что величина jТС, строго говоря, не является величиной
постоянной. Можно назвать по меньшей мере две причины этого
непостоянства.
Во-первых,
как
показывают
многочисленные
эксперименты, технологическая система представляет собой не вполне
упругое тело, т.е. величина появившихся упругих деформаций не прямо
пропорциональна действующей силе Ру. На рис. 7.8 приведена типичная
диаграмма
уТС
в
зависимости
от
экспериментальных исследованиях жесткости.
294
Р у,
получаемая
при
Отступление от пропорциональности объясняется тем, что
перемещение уТС в системе возникает за счет:
1)
перемещений
и
поворотов
отдельных
частей
технологической системы в пределах зазоров в подвижных соединениях
(эти перемещения могут иметь достаточно большую величину при
незначительной силе Ру);
2)
контактных упругих деформаций в стыках деталей;
3)
объемных упругих деформаций деталей.
Рис.7.8. Типичная диаграмма нагружения
при экспериментальном определении
жесткости технологической системы
Каждая из указанных составляющих имеет свою зависимость от
силы Ру, а суммарная величина уТС оказывается непропорциональной
силе
Р у.
Механизм
образования
непропорциональной
кривой
нагружения в сопряжении двух деталей иллюстрируется схемой на
рис. 7.9 [2].
295
Рис.7.9. Схема образования перемещений в соединении двух деталей в
зависимости от величины приложенной силы [2]
На рисунке детали I и II соединены между собой с некоторым
гарантированным зазором. К детали I в точке А приложена сила Р,
действующая параллельно плоскости у-у. При увеличении силы до Р1,
превышающей силу трения в стыке деталей I и II по плоскости у-у,
деталь I начнет перемещаться в направлении силы до контакта с
деталью II в точке О (как показано на рис. 7.9,б).
На графике (см.
рис. 7.9,ж) при относительно небольшой силе P1 появится достаточно
большое перемещение у1 точки А в пределах зазора подвижного
соединения. При дальнейшем росте силы до Р2 в месте контакта по
относительно небольшому участку поверхностей вокруг точки О в стыке
возникает упругая контактная деформация, и деталь I получает
дальнейшее перемещение у2, величина которого растет гораздо
296
медленнее, чем на предыдущем участке нагружения, и на графике (рис.
7.9,ж) появляется более пологий участок кривой. С дальнейшим
увеличением силы Р достигается момент статического равновесия
детали
I
за
счет
уравновешивания
моментов,
создаваемых
относительно точки О силами Р и G (вес детали I):
Pl1 = Gl2
При увеличении силы до Р3  G
l2
деталь I повернется вокруг точки О,
l1
а точка А получит вдоль плоскости у-у дополнительное перемещение
у3, величина которого тем больше, чем большие погрешности формы и
расположения имеют контактирующие поверхности обеих деталей. На
графике кривая имеет резкое увеличение у3 при небольшом увеличении
силы Р.
Дальнейший рост силы Р до величины Р4 приводит к
контактным
деформациям
вновь
вошедших
в
соприкосновение
поверхностей деталей I и II, и темп прироста перемещения точки А
вновь замедляется.
На последней стадии нагружения в материале деталей I и II
возникают объемные упругие деформации сжатия и темп прироста
перемещения у5 еще более замедляется.
Если теперь перейти от соединения двух деталей к узлу и всей
технологической системе, то процесс нагружения сильно усложняется,
так как в разных соединениях этапы нагружения наступают в разное
время, а некоторые могут отсутствовать вовсе (например, у1 и у3 в
неподвижных беззазорных соединениях.
Непропорциональность зависимости уТС = f (Ру)
приводит к
тому, что при одинаковом колебании силы величина колебаний упругого
перемещения ΔуТС окажется разной в зависимости от модуля силы Ру.
297
Графически это различие хорошо иллюстрируется на рис. 7.8, где
Р y  Py , но  уТС   уТС за счет отступления кривой уТС = f(Py)
от прямой пропорциональности.
Есть достаточно обширная литература о природе жесткости ТС
и нормировании ее для различных групп станков, методах определения
ее величины и т.д. В наиболее обобщенном и систематизированном
виде эти вопросы освещены в учебниках Б.С.Балакшина [2], А.А.
Маталина [5], А.Г. Суслова [22], и др.
Второй причиной непостоянства жесткости технологической
системы является зависимость ее величины от места приложения силы.
Дело в том, что при любой обработке заготовка и инструмент имеют
взаимное перемещение в направлении подачи: при точении в центрах
резец перемещается вдоль оси заготовки от заднего центра к
переднему, при фрезеровании на любом фрезерном станке заготовка,
установленная на столе, перемещается вместе с ним в направлении
подачи,
при
сверлении
(зенкеровании,
развертывании
и
т.п.)
вращающийся инструмент перемещается вместе со шпинделем вдоль
оси обрабатываемого отверстия и т.д. Движение подачи инструмента
(или заготовки) изменяет взаимное положение частей технологической
системы, воспринимающих силу резания, меняются величины
их
реакций и в результате этого изменяется величина жесткости всей
технологической системы даже при неизменной жесткости ее частей.
В этом случае говорят о неравномерности (неодинаковости)
жесткости технологической системы
по координате подачи. Явление
неравномерности жесткости и его влияние на получаемый размер
хорошо иллюстрируется примером обтачивания гладкого вала в центрах
(рис. 7.10). За время обтачивания гладкого вала на длине l резец
непрерывно перемещается от задней бабки к передней со скоростью
подачи S. Возникающая сила резания воспринимается, с одной
298
стороны, через заготовку, центры, переднюю и заднюю бабки станиной,
с другой - через резец и суппорт также станиной. Образуется
динамически замкнутая система, части которой по мере продвижения
резца от задней бабки к передней изменяют взаимное положение в
пределах меняющихся yпругих деформаций. В начальный момент
обработки практически всю силу Ру воспринимает задняя бабка, и если
ее жесткость jзб, то центр вала в правом крайнем сечении получит
упругое перемещение
уц  у збmax
Ру
jТС
,
(7.12)
в то время как передняя бабка останется на месте. Ось вращающегося
вала займет положение I (рис. 7.10б). В конечный момент обработки всю
силу Ру
будет воспринимать уже передняя бабка, а задняя,
освободившись от нагрузки, вернется в исходное положение.
Если жесткость передней бабки L6, то центр вала в левом
крайнем сечении в этот момент получит упругое перемещение:
max
уц  у пб

Ру
,
jпб
(7.13)
а ось вала займет положение II (рис. 7.10,б). Из положения I в положение II ось вала переходит постепенно по мере продвижения резца
от задней бабки к передней. Если допустить при этом, что она остается
прямолинейной (это будет в том случае, когда вал имеет абсолютную
жесткость), то в любом текущем положении х ось будет касательной к
некоторой кривой, огибающей все возможные положения оси, как это
показано на рис. 7.10,в. В некоторый момент времени х упругое
смещение центра вала в сечении обработки согласно схеме на
рис. 7.10,в:
уцх  аб  бв.
(7.14)
299
max
yзб
max
yзб
x
yц
max
yпб
max
yд
yсуп+ yи
yзб
max
yд
yпб
yпб
Рис. 7.10. Схема образования упругих перемещений в технологической системе
при обтачивании гладкого вала
При этом
х
аб  у пб
по сути представляет собой упругое
смещение передней бабки в момент обработки, когда резец находится в
положении х, под действием воспринимаемой ею части силы Ру. Эта
часть численно равна реакции в опоре Rпб, если считать вал балкой,
установленной на две опоры (на два центра) и тогда:
300
аб  упбх 
Rпб
.
jпб
 x
R

P
, то
y
Если реакция пб
l
х
аб  упб

Из
бв 
подобия
x
max 
  yпб 1 
l

x
.
l
осд
треугольников
(7.15)
и
обв
следует
R
x
x
х
х
у збх  зб . Если реакция
гд  ( y збx  y пб
), где по аналогии с у пб
j зб
l
l
задней
бв 
Ру 
1 
jпб 
бабки Rзб  Py
x  Py x Py 

1 

l  j зб l jпб 
x
,
l
то
с
x  x  max x
max 
 yпб
   y зб
1 
l  l 
l

max 
уцх  аб  бв  упб
1 

учетом
(7.12),
(7.13):
x 
 , и
l 
x  x  max x
max 
 yпб
   y зб
1 
l l
l

x 

l 
После преобразований:
2
х
ц
у у
max
пб
2
 x
max x
1    y зб 2 .
l
l

(7.16)
Уравнение (7.16) описывает кривую, огибающую все положения
оси вала на рис. 7.10,в, и эта кривая представляет собой параболу. Из
этого уравнения следует вывод о том, что даже при постоянстве силы
резания (Ру=const) и постоянной жесткости узлов станка (jз6=const,
ру
х
j

jn6=const), жесткость технологической системы ТС у х  f ( x )  const
ц
не
остается
постоянной
и
является
параболической
функцией
положения резца вдоль оси заготовки (координаты перемещения
инструмента по направлению подачи).
301
Но и это еще не все, так как уравнение (7.16) получено из
допущения абсолютной жесткости заготовки, чего практически не
бывает. Реальный вал под действием силы Ру прогнется, и его ось
будет криволинейна (рис. 7.10,г). Согласно правилам сопротивления
материалов величина прогиба вала в сечении на расстоянии х от
передней бабки
Р у х 2 (l  x) 2
у 

,
пд 3Еи
l
Ру
х
д
(7.17),
3EJl
x
j

где жесткость детали в сечении х
x 2 ( j  x) 2 является величиной
переменной.
Зависимость
значительно
увеличивает
жесткости
детали
неравномерность
от
координаты
жесткости
х
всей
технологической системы вдоль этого направления. Следовательно,
суммарное упругое смещение центра вращающейся заготовки по
причине конечных величин жесткости заготовки, передней и задней
бабок будет:
х
ц
у у
max
пб

1 

2
Py x 2 (l  x) 2
x
max x
.
  y зб 2 
l
l
3EJl
(7.18)
Для полного представления о величине жесткости технологической
системы токарного станка в рассматриваемом примере в уравнение
(7.18) нужно добавить еще упругие перемещения, которые возникнут в
результате конечной величины жесткости инструмента и суппорта
станка. Эти перемещения показаны на рис. 7.10,г как (усуп+уи) Величина
этих перемещений не зависит от координаты х. Если жесткость суппорта
равна jcyn и жесткость инструмента – jи то суммарное упругое
перемещение центра вала в обрабатываемом сечении относительно
вершины резца будет описываться следующим уравнением:
302
х
ц
у у
max
пб
2
Py x 2 (l  x) 2 Py Py
 x  max x


1    узб 2 
l
3EJl
jсуп jи
 l
(7.19)
Конечность величины жесткости технологических систем и
последствия этого для точности получаемого в результате обработки
технологического размера, описываемые формулами (7.12) и (7.19)
позволяют сделать несколько важных выводов.
1).
Небесконечная
величина
жесткости
технологической
системы и ее частей обуславливает появление в ней во время
обработки заготовок упругих деформаций, составляющих часть
размера динамической настройки.
2).
Непостоянство
заготовок в
силы
резания
при
обработке
партии
соответствии с формулой (7.12), вызванное
погрешностями размеров и свойств материала заготовок,
затуплением инструментов обуславливает разную величину
упругих деформаций при обработке разных заготовок, что
рассеивает
размер
 
yТС  дн
Py
jТС
,
динамической
которое
настройки
представляет
по
полю
собой
часть
погрешности динамической настройки. При обработке одной
заготовки
глубина
резания
также
изменяется
за
счет
погрешностей формы поверхности и неравномерности свойств
материала в объеме заготовки. Это приводит к погрешности
формы обработанной поверхности детали. Применительно к
обтачиванию
заготовки
на
токарном
станке
механизм
образования этой погрешности иллюстрируется схемой на
рис. 7.11.
3). Неравномерность жесткости технологической системы по
координате
подачи
инструмента
обуславливает
разную
величину упругой деформации в разные моменты времени
303
обработки одной и той же детали, что приводит к погрешности
формы обрабатываемой поверхности.
Рис. 7.11. Влияние погрешности формы поверхности заготовки на
погрешность формы обработанной поверхности
Диаметр обтачиваемого вала (технологический размер) в
примерах на рис. 7.7,а и рис. 7.10 получается как удвоенная
сумма размеров статической и динамической настройки Т =
dобр = 2(Асн + Адн) = 2(Асн + уц). С учетом (7.19) диаметр
непрерывно меняется, что и приводит к погрешности формы
цилиндрической поверхности. В зависимости от соотношения
величин jпб, jзб, jд
обработанная поверхность может иметь
любую форму (конус, бочку и т.д.), но не цилиндр, как показано
на рис. 7.12.
304
Рис. 7.12. «Копирование» погрешности формы заготовки в продольном
сечении (по И.М. Колесову)
4).
Формулы (7.12) и (7.19) описывают закон копирования
погрешностей, заключающийся в том, что погрешности размера
и
формы
заготовки
копируются
при
обработке
в
технологических системах, пропорционально уменьшаясь (см.
рис. 7.11 и 7.12).
5) Количественная оценка жесткости широко используется для
оценки состояния как нового технологического оборудования,
так и его состояния в текущий момент времени. Жесткость
включается
в
характеристик
паспорт
изготовленного
станка
в
составе
его качества. При эксплуатации жесткость
станка регулярно определяется и сравнивается с паспортным
значением. Результаты сравнения служат основанием для
проведения технического обслуживания, текущих, средних и
капитального ремонтов. Для того чтобы результаты измерений
жесткости одного станка, полученные в разное время, были
сопоставимы и обеспечивали надежность оценки его состояния,
неравномерность жесткости, оцениваемая формулой (7.19),
обязывает
строго
экспериментального
регламентация
регламентировать
определения
обеспечивает
условия
проведения
жесткости.
возможность
Такая
разработки
нормированных значений жесткости, которой должен обладать
305
вновь изготовленный станок, и возможность оценки качества
новых станков по этому показателю.
Определение
Многочисленность
жесткости
факторов,
технологической
влияющих
на
величину
системы.
жесткости
технологической системы, не позволяют пока установить ее расчетным
путем. Поэтому жесткость определяют обычно опытным эмпирическим
путем. В зависимости от условий нагружения все методы определения
жесткости разделяются
на
две
группы:
1)
при
нагружении
статическими силами и
2) динамическими силами в производственных условиях.
При определении в статике станок или отдельный узел
нагружают силами, аналогичными тем, которые будут действовать в
процессе работы. Первые такие исследования жесткости начал в 1936
году К.В. Вотинов, который ввел понятиие жесткости применительно к
станкам и их узлам. По его определению под жесткостью следует
понимать «…способность узла сопротивляться появлению упругих
отжатий». На рис. 7.13 приведена принципиальная
упругого
отжатия
шпинделя
токарного
станка
схема измерения
под
действием
тарированной силы, которую использовал К.В. Вотинов. Создаваемые
нагрузки увеличивают от нуля до максимума, при этом измеряют
перемещения намеченных точек и по результатам измерений строят
график зависимости у = f(P).
Практика показала, что определяемая по таким графикам
статическая жесткость, как правило, в
жесткость
работающих
станков,
1,2 – 1,4 раза выше, чем
поэтому
был
производственных методов определения жесткости.
306
разработан
ряд
Рис. 7.13. Схема измерения величины упругого перемещения шпинделя
под действием силы Р
Производственные методы основаны на обработке заготовки с
переменным припуском и некоторых последующих расчетах. Например,
для определения жесткости токарного станка берут специальную
достаточно жесткую заготовку с двумя ступенями диаметрами D1 и D2
(Рис. 7.14). Эти ступени обрабатываются за один рабочий ход при
неизменном режиме. После обтачивания вследствие разных глубин
резания t1 > t2 образуется уступ ωдн, имитирующий поле рассеяния
размеров
динамической
настройки,
которое
возникло
бы
после
обработки партии заготовок с полем рассеяния ωDзаг =D1 – D2 . Поле
рассеяния размеров обработанных поверхностей вследствие возникших
при обработке каждой ступени разных по величине упругих деформаций
ωdдет = d1- d2 будет меньше ωDзаг.
307
Рис. 7.14. Схема производственного метода
определения жесткости токарного станка
 D заг


Отношение
 d дет
представляет собой уточнение и оно
характеризует жесткость технологической системы:
jТС  CP S 0, 75 ,
Где

Py
Pz
,
S – подача, мм/об.
Аналогичным методом может быть определена жесткость
любого другого станка.
7.4.2.
Возможности
деформаций
для
уменьшения влияния
технологической системы на
упругих
погрешность
динамической настройки
Эти возможности можно выявить, анализируя уравнение части
погрешности динамической настройки, равной колебаниям упругих
относительных
перемещений
заготовки
и
инструмента,
определяются по формуле (7.11):
yТС
 
 дн
Py
jТС
308
(7.11)
которые
С математической точки зрения уравнение (7.11) открывает три
принципиальные возможности для уменьшения этой части погрешности
динамической настройки:
1) увеличивать жесткость технологической системы jТС;
2) уменьшить колебания силы резания ΔРу;
3)
поставить
в
обратную
зависимость
жесткость
технологической системы jТС в каждый момент времени обработки от
возникающей
силы
резания,
т.е.
создать
и
технологической системе зависимость jТС = f(Ру),
поддерживать
в
обеспечивающую
постоянство величины упругой деформации ΔуТС= const.
Пути и меры повышения жесткости технологической системы.
Рассмотренная выше природа появления упругих перемещений
в технологической системе позволяет наметить пути и меры повышения
ее жесткости:
1.
Уменьшение количества стыков в динамических цепях
технологической системы.
Этот путь
может
быть
реализован при
проектировании конструкции технологической системы и ее частей за
счет создания более сложных деталей, изготавливаемых из одного куска
материала. В этом случае
уменьшается
роль
контактных
упругих
деформаций поверхностей соединяемых деталей за счет уменьшения
количества сопряжений, участвующих в динамической цепи.
2.
Повышение
точности
подвижных
соединений
в
технологической системе как за счет повышения точности изготовления
деталей такого соединения, так и за счет своевременного ремонта и
(или) регулирования зазоров в них.
3.
точности
Повышение контактной жесткости стыков
геометрической
формы
309
и
качества
за
счет
контактируемых
поверхностей. Чем выше точность формы и ниже шероховатость, тем
большую
реальную
поверхности, в
площадь
контакта
имеют
такие
результате удельные давления в зоне контакта
снижаются, что и ведет к уменьшению упругих деформаций в стыке и к
повышению жесткости всей системы.
4. Повышение собственной жесткости деталей технологической
системы за счет:
 разработки соответствующих конструктивных форм;
 увеличения сечений
способом
и
уменьшения
показателей
таким
упруго-напряженного
состояния материала деталей;
 применения более прочных материалов.
5. Применение устройств для создания в технологической
системе
предварительного
обрабатываемой
поверхности
натяга
и
направлении
наладка
нормали
системы
в
к
таком
предварительно напряженном состоянии, что позволяет исключить
влияние зазоров подвижных соединений на величину колебаний упругих
перемещений и, следовательно, на получаемый размер.
6.
Повышение
жесткости
заготовки
применением
дополнительных опор, например, люнетов на токарных станках.
7.
Правильные
технологической системы.
условия
и
режимы
эксплуатации
Систематический мониторинг состояния
технологического оборудования и восстановление его первоначальной
жесткости
шабрением
регулированием
износившихся
зазоров
подвижных
направляющих
и
др.
соединениях,
поверхностей,
регулярное техническое обслуживание, периодический ремонт.
Пути и меры уменьшения колебаний силы резания. Формулы для
расчета силы резания типа (7.9) и (7.10) показывают, что рассеяние ее
величины вызываются тремя главными причинами:
310
1) погрешностью размеров в партии заготовок и неточностью
формы поверхности одной заготовки в пределах допуска,
что вызывает колебания глубины резания Δt;
2) колебаниями физико-механических свойств материала в
партии заготовок;
3) изменением геометрии резания в результате затупления
инструмента.
силы Ру может быть в каждом
Поле рассеяния величины
конкретном случае рассчитано по формуле типа (7.10). Анализ этой
формулы позволяет определить возможные пути сокращения колебаний
силы Ру:

повышение точности изготовления заготовки (Δt → 0);

повышение и стабилизация качества материала заготовок
(ΔНБ→ 0);
уменьшение или полное устранение из процесса резания

затупления инструмента.
Точность изготовления заготовок повышают, разрабатывая и
применяя
новые,
более
точные
технологические
процессы
заготовительного производства: точные виды литья (по металлическим,
выплавляемым моделям, в оболочковые формы, центробежное литье и
т.д.); штамповка в закрытых штампах; периодический прокат и т.д.
Для неточных и крупных заготовок применяют предварительную
обработку - обдирку, выделяя ее в отдельную стадию. Обдирка, как
правило, включается в технологический процесс получения заготовки
как заключительная операция и даже выполняется территориально в
заготовительных цехах или на отдельных участках механического цеха.
Погрешность динамической настройки, вызванная колебаниями
упругих перемещений в технологической системе, является величиной
случайной,
так
как
случайны
колебания
311
размеров
и
физико-
механических свойств материала заготовок. Однако, есть возможность
хотя бы отчасти эту случайную погрешность "систематизировать" и
уменьшить ее влияние на результат обработки партии заготовок за счет
внесения в размерные цепи технологической системы соответствующих
поправок. Реализация этой идеи внешне напоминает метод групповой
взаимозаменяемости, так как требует предварительной сортировки на
группы заготовок по размеру подлежащей обработке поверхности или
по характеристике свойств материала (например, по твердости). Проиллюстрируем эту идею примером.
На
рис.
7.15,а
представлена
схема
образования
погрешности
технологического размера ωобр при обработке партии заготовок в
некоторой
технологической
системе,
размер
АЗ
которых,
а,
следовательно, и глубина резания колеблются в пределах ωЗ.
На рис.7.15,б такая же партия заготовок предварительно
рассортирована на три группы, которые обрабатываются в той же
технологической системе по очереди, но при переходе от обработки 1-й
группы
ко 2-й в размер статической настройки вносится поправка,
учитывающая скачкообразное изменение глубины резания за счет
приращения среднего размера группы на величину ΔАз.ср. Этот скачок в
соответствии с уравнением (7.10) даст скачок силы ΔРу'= f(ΔАз.ср) и,
следовательно,
по
уравнению
(7.11)
скачок
средней
упругой
деформации при обработке второй группы заготовок.
Чтобы этот скачок упругой деформации не вызывал скачка
получаемого на детали размера, в размер статической настройки нужно
внести с противоположным знаком поправку, величину которой можно
рассчитать:
 Асн   уТС 
312
 Р у
jТС
.
Таким
образом,
имея
ту
же
технологическую
систему
можно
существенно уменьшить общее поле рассеяния размеров во всей
партии до
  обр .
обр
Рис. 7.15. Схемы образования погрешности технологического размера в партии
деталей при различных условиях обработки: а – обработка всей партии при
неизменном размере статической настройки; б - предварительная сортировка
заготовок на группы по размеру и внесение поправок в размер статической
настройки при переходе к обработке следующей группы
Увеличивая
количество
групп
сортировки,
можно
весьма
существенно повысить точность обработки партии заготовок в одной и
той же технологической системе. Правда, это повышение точности
достигается за счет дополнительных затрат на сортировку заготовок и
внесение поправок в размер статической настройки, поэтому, очевидно,
313
существует
предел
экономической
целесообразности
этого
мероприятия.
Наконец, добиться уменьшения ΔРу можно, применяя системы
адаптивного
управления
точностью
(САУ),
суть
работы
которых
заключается в том, чтобы постоянно измерять величину силы Ру и
немедленным внесением изменений в условия работы технологической
системы обеспечить постоянство этой силы, т.е. достичь Py=const. Об
адаптивных системах управления речь пойдет в следующей главе.
Для уменьшения влияния колебаний физико-механических
свойств материала заготовки на погрешность динамической настройки
можно использовать следующие мероприятия:
 предъявление
допусков)
к
повышенных
показателям
материала,
требований
физико-механических
поставляемого
промышленностью,
(более
литейными
узких
свойств
металлургической
и
кузнечао-прессовыми
цехами завода;
 введение дополнительной термической обработки заготовок
(отжига, улучшения и т.п.);
 введение сортировки заготовок по твердости на группы
(аналогично рассмотренной выше сортировке по размеру).
 применение систем адаптивного управления по силе Ру,
которые одновременно с колебаниями размера заготовок
учитывают
и
компенсируют
колебания
Ру по причине
неравномерности физико-механических свойств материала.
Пути
и
меры
уменьшения
влияния
затупления
инструмента на величину упругих деформаций технологической
системы. Затупление инструмента оценивается обычно появлением
предельно допустимой площадки износа а по задней грани или
округлением режущей кромки инструмента до заранее оговоренного
314
радиуса r, что фактически изменяет геометрию резания, уменьшая
задний угол α, как это показано на рис. 7.16. И в том и другом случае
увеличивается угол заострения режущего клина δ, что приводит к
увеличению на 15-30% силы резания за период стойкости. Увеличение
же силы резания, как указывалось выше, приводит к росту величины
упругих перемещений в технологической системе.
Рис. 7.16. Изменение геометрии режущего клина при затуплении
инструмента
Затупление
развивающийся
функциональную
во
инструмента
–
времени.
принципе
зависимость
В
то
прироста
процесс
постепенный,
возможно
силы
резания
установить
ΔРу
(а,
следовательно, и прироста упругой деформации Δу) от времени работы
инструмента на периоде его стойкости. Поэтому возникающую часть
погрешности динамической настройки в партии заготовок, обработанных
за период стойкости инструмента, можно считать систематической
переменной, т.е. накапливающейся во времени.
Принципиальные возможности уменьшения влияния затупления
на погрешность динамической настройки следующие:
1. Уменьшить период накопления погрешности. Реализовать эту
возможность можно, ограничив и уменьшив допускаемую величину
затупления (размер площадки износа по задней грани или радиус
округления режущей кромки), либо исключив вообще из процесса
315
резания затупление за счет самозатачивания инструмента. Уменьшение
допускаемого затупления ведет к сокращению периода стойкости и к
увеличению затрат на восстановление режущей способности (заточку)
инструмента. Для сохранения периода стойкости при ограничении
затупления нужно использовать более стойкие инструментальные
материалы
(твердые
сплавы,
минералокерамику,
композитные
материалы, искусственные и естественные алмазы).
Ограничение
организации
допустимого
диагностики
затупления
состояния
требует
также
инструмента
для
своевременного решения вопроса о его заточке или замене. Самым
простым решением этой проблемы является принудительная смена
инструмента в заданный момент
времени, который чаще всего
определяется количеством обработанных деталей. Станки или позиции
автоматических
линий
снабжаются
счетчиками прошедших
обработку деталей, и по достижении заданного количества подают
звуковые и световые сигналы наладчику на замену
Конечно,
заданное
инструмента.
количество рассчитывается по наихудшим
условиям работы и поэтому часто принудительно
инструменты,
фактически
не накопившие еще допустимой
величины затупления и могущие еще продолжать
обеспечивать
требуемую
и
технических
работу
и
точность обработки. Эффективность
использования инструмента при этом снижается,
способа
заменяются
однако,
средств диагностирования
простота
(простейший
счетчик деталей) обеспечивает этому решению достаточно широкое
применение.
Более
сложные
решения
предполагают
использование
индивидуальных диагностических средств состояния инструмента. В
последние годы такие средства и системы диагностики активно
разрабатываются и внедряются, прежде всего, в автоматизированных
технологических системах – станки-автоматы и полуавтоматы, станки с
316
ЧПУ, гибкие производственные модули и системы и т.п. В значительной
степени прогрессу в разработке таких систем способствует появление
дешевых и надежно работающих микропроцессоров.
2.
Компенсировать
возникшее
в
результате
затупления
увеличение упругой деформации внесением в технологическую систему
соответствующей поправки. Такую компенсацию обеспечивают системы
адаптивного управления. Как правило, они автоматически суммируют
изменение уТС с упругими перемещениями, появившимися по другим
причинам
(от
колебаний
припуска,
физико-механических
свойств
материала), вырабатывают и вносят общую поправку в размерные или
кинематические цепи технологической системы. Принципы работы,
состав систем адаптивного управления, их разновидности будут
рассмотрены в следующей главе.
7.4.3. Колебательные упругие перемещения в технологической
системе (вибрации) и их влияние на погрешность динамической
настройки
Кроме рассмотренных выше перемещений в технологической
системе
возникают упругие перемещения, изменению величины
которых во времени присуща определенная периодичность. Такие
изменения называют колебаниями, или вибрациями. С точки зрения
проблемы
обеспечения
точности
технологического
размера
нас
интересуют колебания упругих перемещений в технологической системе
по направлению нормали к обработанной поверхности, так как именно
эти перемещения обуславливают изменение размера динамической
настройки
и,
следовательно,
являются
частью
погрешности
динамической настройки. В пределах одной обработанной поверхности
за счет многократного изменения взаимного положения инструмента и
заготовки вследствие колебаний образуются различные погрешности
317
формы: огранка цилиндрической поверхности при точении, волнистость
плоскости при строгании и фрезеровании и т.п.
Колебания могут быть вызваны как внешними воздействиями
(толчки, сотрясения, вибрации рядом работающих машин и т.д.), так и
внутренними для работающей технологической системы
факторами:
прерывистость процесса резания, дисбаланс вращающихся частей,
особенности стружкообразования и т.д. Технологическая система
по
разному может реагировать на эти воздействия: импульс силы и
вызванные
им
колебательные
упругие
перемещения
в
течение
некоторого промежутка времени уменьшаются до нуля ("затухают"),
либо
колебания
неопределенно
упругих
долгое
перемещений
время
(такие
сохраняют
амплитуду
колебания
называют
автоколебаниями), либо колебания в системе нарастают во времени,
приводя в конце концов к поломке инструмента или заготовки. Реакция
технологической системы на динамическое воздействие (как внешнее,
так и внутреннее) зависит как от упругих свойств самой системы (ее
жесткости), так и от условий протекающих в ней рабочих процессов:
режима резания, способа смазки и охлаждения инструмента, свойств
смазывающее-охлаждающей
жидкости,
геометрии
рабочих
инструментов и т.д.
Наиболее желательной реакцией технологической системы
является затухание колебаний в ней, и чем быстрее протекает
затухание, тем лучше это для качества обработки (тем меньше следов
колебаний
инструмента
остается
на
обработанной
поверхности).
Поэтому при разработке технологического процесса следует обращать
внимание на выбор режима обработки, инструмента, станка и т.д. и
выбирать их из области устойчивости технологической системы.
В механике устойчивой считается идеальная система, в которой
отклонение от заданного состояния в переходном процессе (равновесия
или движения по заданному закону), вызванное ограниченным по
318
величине воздействием, со временем не возрастает. В реальных
устойчивых системах это отклонение должно уменьшаться. Если
отклонение возрастает во времени, то система считается неустойчивой.
Область
устойчивости
системы
заданной
структуры
определяется совокупностью параметров (режима резания, геометрии и
конструкции инструментов и технологической оснастки), при которых она
является устойчивой. Эта область может быть представлена графически
в пространстве с координатной системой, по осям которой откладываются параметры технологической системы. Например, на рис. 7.17
приведена область устойчивости при растачивании в параметрах:
глубина резания t - вылет l расточной оправки [5]. Зона работы с
параметрами t и l ниже разграничительной кривой определяет область
устойчивости системы, в пределах которых обработка происходит без
вибраций.
Степень устойчивости системы определяется ее способностью
рассеивать
энергию,
получаемую
от
внешнего
воздействия,
и
оценивается временем затухания отклонений в переходных процессах.
Например, на рис. 7.18 показаны затухающие колебания силы Р и
порождаемого ею упругого перемещения по нормали к обрабатываемой
поверхности у в течение переходного процесса при врезании резца [5].
Продолжительность затухания колебаний tзат
характеризует степень
устойчивости данной системы.
Вид реагирования технологической системы на динамический
импульс в значительной мере определяется ее упругими свойствами,
которые
319
Рис. 7.17. Область устойчивости процесса резания при растачивании
с точки зрения явления вибраций могут быть оценены параметрами ее
собственных
частотами,
колебаний:
временем
называют
вызываемые
спектром
затухания.
частот,
Собственные
свободными) колебания
внешними
изменение нагрузки
причинами
от
(или
их
упругой
резкое
системах
однократного
еще
системы,
(толчки, удары,
и т.п.), в реальных
затухающими. Полученная
амплитудами,
являются
внешнего
воз-
действия энергия затрачивается на работу перемещения частей упругой
системы за один цикл колебаний:
на
упругую
объемную
и
кон-
тактную деформации деталей, преодоление внутреннего и внешнего
трения перемещающихся частей. Это рассеяние энергии обуславливает
уменьшение амплитуды на каждом периоде колебаний (на рис. 7.18 это
уменьшение графически представлено величиной ΔА).
Если на систему действуют внешние силы (толчки, вибрация
рядом
работающих
машин
и
т.п.)
или
внутренние
(дисбаланс
вращающихся частей, прерывистое резание и т.д.) периодически
изменяющиеся силы, то в ней появляются вынужденные колебания,
частота которых равна или кратна частоте возбуждающей их силы. В
этом случае затраченная энергия в каждом колебательном цикле на
320
работу перемещения колеблющихся частей пополняется за счет
возбуждающей
силы,
и
колебания
становятся
незатухающими.
Интенсивность таких колебаний оценивается величиной амплитуды и
тем больше, чем ближе частота возбуждающей силы ωв к частоте
собственных колебаний системы ωс.
Рис. 7.18. Затухающие колебания устойчивой системы, вызванные врезанием резца
Как и во всякой упругой системе при
ωв = ωс
возникает
резонанс, когда амплитуда вынужденных колебаний особенно велика.
Работа технологической системы в условиях резонанса совершенно
недопустима как с точки зрения качества обработки, так и ее
производительности
и
эффективности
(резко
падает
стойкость
инструмента, выходят из строя подшипники и т.д. и т.п.). Для того, чтобы
уйти из зоны резонанса, часто бывает достаточно изменить частоту
вращения заготовки (или инструмента).
321
При обработке
резанием
при определенных условиях в
технологической системе возникает новый вид колебаний, называемый
автоколебаниями.
Автоколебания
в
технологической
системе
появляются одновременно с началом процесса резания и прекращаются
после
отвода
переменная
создается
инструмента.
сила,
и
При
автоколебательном
поддерживающая
управляется
самим
колебательное
процессом
процессе
движение,
резания,
т.е.
неколебательный источник энергии производит переменное действие,
поддерживающее
стационарный
колебательный
процесс,
и
обеспечивает приток энергии, покрывающий ее потери при колебаниях.
Таким образом, автоколебания являются незатухающими колебаниями.
Амплитуда
и
частота
автоколебаний
определяются
упругими
свойствами самой технологической системы, частота автоколебаний
обычно
близка
к
одной
из
частот
собственных
колебаний
технологической системы.
Для предотвращения автоколебаний можно разрабатывать и
реализовывать мероприятия в двух направлениях:
1)
повышать
демпфирующие
свойства
технологической
системы за счет увеличения ее жесткости;
2) изменять условия процесса резания и сопутствующего
трения инструмента об обрабатываемый материал, переводя их в
область устойчивости (см. рис. 7.17).
Мероприятия
по
повышению
жесткости
технологической
системы рассмотрены в п. 5.1. Среди параметров, определяющих
условия
процесса
резания,
важнейшими
являются
геометрия
инструмента и элементы режима резания. Виброустойчивость системы
повышают: увеличение главного угла в плане до 45°, создание
виброгасящих фасок и лунок, работа перевернутыми резцами при
обратном вращении шпинделя токарного станка, установка попарно
нескольких инструментов, взаимно уравновешивающих колебания сил
322
резания. Элементы режима резания (глубину, подачу, скорость) следует
выбирать
из
области
устойчивости технологической
системы
по
графикам, аналогичным на рис. 7.17. При этом следует иметь в виду, что
увеличение глубины резания, как правило, способствует появлению и
усилению вибраций. Увеличение подачи (при точении) способствует
устранению
низкочастотных
вибраций.
Подбор
оптимальных
смазывающе-охлаждающих жидкостей может значительно уменьшить
интенсивность колебаний в технологической системе.
Что касается вынужденных колебаний, то бороться с ними
можно либо уменьшая действие внешних и внутренних колеблющихся
сил, либо изолируя технологическую систему от их действия. Для
изоляции
технологической
системы
от
внешних
источников
пульсирующих сил применяют установку ее на специальные упругие
виброопоры, в которых эти внешние воздействия гасятся. Большое
значение имеет балансировка быстровращающихся деталей и узлов
технологической системы. Для предотвращения резонанса необходимо
либо изменить частоту ωс собственных колебаний технологической
системы
(например,
проведя
мероприятия
по
повышению
ее
жесткости), либо изменить режим обработки и тем самым изменить
частоту возбуждающей силы ωв.
В ряде случаев для борьбы как с вынужденными колебаниями,
так и с автоколебаниями применяют различного рода виброгасители
(трением,
динамические,
гидравлические
и
т.д.).
Назначение
виброгасителя - снижение интенсивности колебаний путем поглощения
и рассеивания энергии колебательного движения.
323
7.4.4. Тепловые деформации технологической системы как
причина погрешности динамической настройки
Во всякой работающей технологической системе
действует
ряд источников тепла:
 рабочий
процесс
(резание,
пластическое
деформирование, трение и т.д.);
 механическая работа по преодолению сил трения в
подвижных соединениях деталей;
 электрические
системы
(двигатели,
пусковая
и
управляющая
аппаратура и т.д.);
 гидравлические
системы
(в
тепло
преобразуется
механическая работа на преодоление внутреннего и
внешнего трения рабочей жидкости).
Кроме того, на технологическую систему могут оказывать
влияние внешние для нее источники тепла: окружающая среда,
близкорасположенные
нагревательные
устройства,
другое
оборудование и т.д.
Под
влиянием
тепловых
источников
нагревается
вся
технологическая система (например, от окружающего воздуха) или
отдельные ее части (например, резец и деталь теплом резания).
Естественным следствием этих процессов является упругая тепловая
деформация отдельных деталей и частей технологической системы.
Нагрев деталей станка приводит к их упругим деформациям
в трех координатных направлениях. Многочисленные исследования
тепловых
деформаций
токарных
станков
показали,
что
упругие
перемещения концов шпинделей при нагреве составляют в осевом
направлении – до 0,1мм, в вертикальной плоскости (вверх) – 01-0,05 мм,
в горизонтальной плоскости – 0,005 – 0,015 мм. Наибольшее влияние на
получаемый при точении технологический размер (диаметр) оказывает
324
смещение оси шпинделя в горизонтальной плоскости, это смещение и
представляет
собой
часть
погрешности
динамической
настройки.
Например, на рис. 7.19 приведен график горизонтального смещения оси
шпинделя в зависимости от времени работы токарного станка (по
данным проф. А.П. Соколовского). Продолжительность нагревания
передней бабки составляет 3-5 часов, после чего за счет отвода тепла в
окружающую среду температура нагрева и положение оси шпинделя
стабилизируется
тепловое
и
в
равновесие.
технологической
После
остановки
системе
станка
устанавливается
происходит
его
медленное охлаждение, и ось шпинделя постепенно возвращается в
первоначальное положение.
Рис. 7.19. Горизонтальное смещение оси шпинделя токарного станка от
нагрева при обработке в центрах (А.П. Соколовский) [2]
При обработке партии заготовок станок неизбежно работает с
перерывами (на замену заготовок, на подналадку, перерывы на отдых и
естественные надобности рабочего и т.д.). Длительность перерывов
может быть различной. В результате чередуются периоды нагрева и
охлаждения станка и, как результат, изменяется величина упругих
325
тепловых
деформаций,
т.е.
смещение
оси
шпинделя
получает
рассеяние.
Рис. 7.20. Тепловые деформации резца при работе с перерывами 4
Нагрев инструмента. Доля теплоты резания, отводимая
инструментом, составляет всего 3-5%, но ее оказывается достаточно
для нагрева режущих кромок до 900о С. Постепенно нагревается все
тело инструмента и узлы станка, несущие инструмент. Возникающие
при этом тепловые упругие деформации могут быть значительными.
Например, увеличение вылета токарных резцов в процессе обработки
партии заготовок по данным различных исследователей могут доходить
до 0,05-0,06 мм. Величина тепловых деформаций инструментов зависит
от скорости и глубины резания, подачи, геометрии инструмента,
эффективности охлаждения и др. причин. Поскольку при обработке
партии заготовок из-за перерывов в работе инструмента чередуются
периоды нагрева и охлаждения, величина его тепловых деформаций
получает рассеяние, как это показано на рис. 7.20.
Нагрев заготовки. В зависимости от способа и режимов
обработки доля теплоты, которая отводится в заготовку, может быть
различной: при точении она составляет до 10% в общем тепловом
балансе, при сверлении доходит до 55%. Поэтому заготовка нагревается
326
и деформируется значительно, при этом более массивная заготовка при
прочих равных условиях нагревается меньше. Наибольшие деформации
возникают при обработке тонкостенных деталей.
Рис. 7.21. Искажение формы поверхности под воздействием теплового поля 5 :
1– участок, образовавшийся при нарастающем нагреве заготовки и резца в начале
обработки; 2 – участок, возникший при установившемся тепловом поле; 3 – участок
при ухудшении отвода тепла в конце обработки
Главным источником тепла в технологической системе является
процесс резания, причем этот источник и создаваемое ним тепловое
поле перемещается вместе с инструментом со скоростью подачи вдоль
обрабатываемой
поверхности.
Впереди
источника
теплоты
в
поверхностных слоях заготовки движется опережающая волна тепла.
Условия взаимодействия теплового поля с обрабатываемой заготовкой
и окружающей средой
при этом меняются, что приводит к разному
нагреву заготовки на пути движения инструмента. Например, на рис.
7.21 приведено искажение формы цилиндрической поверхности при
продольном обтачивании. На первом участке заготовка и резец
постепенно нагреваются и деформируются, в результате чего глубина
снимаемого слоя постепенно увеличивается, а получаемый диаметр
обработанной
поверхности
уменьшается.
На
втором
участке
стабилизируются температура нагрева заготовки и условия теплообмена
с окружающей средой. На третьем участке при подходе резца к концу
заготовки ее нагрев существенно возрастает. Это объясняется тем, что
на
границе
двух
сред
(металл
–
воздух)
ухудшаются
условия
теплообмена (теплопроводность воздуха значительно меньше, чем у
327
металла), теплоотдача в окружающую среду уменьшается. Материал
заготовки при этом нагревается и расширяется сильнее, и с заготовки
удаляется больший слой материала.
Нагрев заготовки неравномерен в ее объеме. Например, при
сверлении отверстия в пластине, установленной на столе станка,
верхние ее слои будут нагреваться больше, чем нижние (рис. 7.22). Это
произойдет
в
результате
различных
условий
отвода
теплоты:
теплообмен через нижнюю поверхность, контактирующую со столом,
будет значительно активнее, чем
через верхнюю, контактирующую с
воздушной средой.
Рис. 7.22. Тепловое деформирование пластины при сверлении
отверстия [4]
Тепловое поле в материале заготовки будет неравномерным и
распределено по экспоненциальной зависимости, как показано на рис.
7.22,а, что вызовет ее коробление (рис. 7.22,б). Ось отверстия после
охлаждения заготовки отклонится от перпендикулярности к нижней
плоскости пластины (технологической базе).
Причиной рассеяния размера динамической настройки может
также быть разная степень нагрева заготовок, поступающих на
обработку. Различие условий обработки заготовок на предшествующих
операциях, различное время между окончанием предшествующей и
328
началом выполняемой операции, особенно в условиях серийного
производства, когда заготовки перемещаются по рабочим местам
партиями, приводят к тому, что на обработку попадают в случайной
последовательности и слабо и сильно нагретые заготовки. Они
получают дополнительный нагрев во время обработки на данной
операции, но суммарная тепловая деформация у них окажется разной,
даже если предположить, что дополнительный нагрев у всех будет
одинаков.
Рис.7.23. Схема образования погрешности динамической настройки
вследствие неравномерного нагрева стенки станины шлифовального
станка [2].
Важной причиной изменений технологического размера при
нагреве технологической системы является неравномерность нагрева ее
частей. Детали (или части деталей), расположенные ближе к источникам
тепла нагреваются сильнее и, следовательно, деформируются больше.
В
конечном
счете,
заготовка
и
329
инструмент,
установленные
на
исполнительных
перемещения,
поверхностях
причем
эти
станка,
получают
перемещения
могут
дополнительные
оказаться
даже
большими, чем упругая деформация деталей, так как кроме простого
теплового удлинения отдельные блоки технологической системы могут
получать
дополнительный
поворот
относительно
менее нагретых
частей, как это схематично показано на рис. 7.23. В станине
шлифовального станка располагаются баки 3 и 4 с охлаждающей
жидкостью и маслом, которые аккумулируют тепло резания и тепло
системы смазки. Там же располагаются насосы с электромоторами для
перекачки этих жидкостей (источники тепла). В результате того, что
стенка 2 станины ближе расположена к этим источникам тепла и притом
еще омывается потоками теплого воздуха из зоны резания, тепловое
удлинение ее гораздо больше, чем стенки 1. Установленный на станину
стол, несущий вместе с передней и задней бабками обрабатываемую
деталь, поворачивается вокруг нижней "холодной" части I, и ось детали
перемещается на величину yt, и это перемещение может оказаться
значительно большим, чем тепловое удлинение стенки 2 станины или
какой-то упругой детали или части станка. Из схемы на рис. 7.23 видно,
что
перемещение
yt
практически
происходит
по
нормали
к
обрабатываемой поверхности и превращается в погрешность диаметра
(технологического размера).
Таким
технологической
образом,
системе
внешнее
оказывает
и
внутреннее
влияние
на
тепло
в
погрешность
динамической настройки через удлинение деталей при нагреве, а также
через их более сложные перемещения
при неравномерном
нагреве.
Доля тепловых деформаций в формировании погрешности
технологического
размера
становится
особенно
значительной
на
чистовых и отделочных операциях, где снимаемые припуски невелики и
составляют доли миллиметра, точность поступающих на обработку
330
заготовок достаточно высока и поэтому колебания припусков, сил
резания
и
вызываемых
ими
упругих
деформаций
оказываются
незначительными.
Принципиальные
разрабатывать
направления,
мероприятия
по
по
которым
уменьшению
можно
влияния
тепловых
деформаций на погрешность динамической настройки, следующие:
1)
уменьшение
технологической
2)
количества
тепла,
накапливаемого
в
системе;
работа
в
технологической системе,
достигшей
теплового равновесия с окружающей средой;
3) повышение равномерности нагрева частей технологической
системы за счет их искусственного охлаждения или дополнительного
подогрева;
4)
компенсация
тепловых
деформаций
специальными
корректирующими устройствами.
В числе мероприятий по первому направлению могут быть:
 поддержание
узких
температуры
заданных
окружающей
пределах
термоконстантных
в
(например,
цехах
приборостроительных
среды
станко-
заводов
и
поддерживается
температура 20 ± 0,5°С);
 экранирование работающей технологической системы
от близко расположенных источников тепла;
 искусственное
охлаждение
инструмента
и
обрабатываемой заготовки с отводом тепла за пределы
технологической системы ;
 увеличение скорости резания, благодаря чему большая
часть тепла отводится в стружку.
По
второму
направлению
могут быть следующие:
331
основные
мероприятия
 предварительный
теплового
разогрев
равновесия
и
станков
до
размерная
состояния
наладка
на
обработку партии деталей в этом состоянии;
 исключение
длительных
перерывов
в
работе
технологической системы, в течение которых может
заметно измениться ее температура;
 ритмичная работа на всех операциях технологического
процесса
обработки
деталей
для
стабилизации
температуры деталей, поступающих для обработки на
каждую операцию (при неритмичной работе детали
пролеживают
между
температура
и
операциями,
величина
остывают,
тепловой
их
деформации
колеблется и зависит от длительности пролеживания);
 установка
между
процесса
операциями
специальных
технологического
термостабилизирующих
устройств для стабилизации температуры заготовок,
поступающих для обработки на операцию.
По
третьему
направлению
мероприятия
сводятся
к
обеспечению отвода тепла от наиболее мощных источников. Обычно
таким
источником
является
процесс
резания,
теплота
которого
нагревает станок, обрабатываемую деталь, инструмент и т.д. вплоть до
окружающей среды. Мощным средством для предотвращения высокого
нагрев частей технологической системы, близких к зоне резания
(инструмент, заготовка, приспособление, стружка и т.д.), является
искусственное
охлаждение.
Здесь
решающее
теплоемкость
смазывающее-охлаждающей
значение
жидкости
имеют
(СОЖ),
ее
количество (т.е. производительность системы охлаждения). Очень
важно расположение емкости с СОЖ. Индивидуальные замкнутые
системы охлаждения станков имеют бак для СОЖ, расположенный либо
во внутренней части станины, либо рядом с ней. В таких системах эта
332
емкость, аккумулируя тепло резания, сама становится тепловым
источником
и причиной неравномерного нагрева технологической
системы (см. рис. 7.23). Поэтому более предпочтительны цеховые
системы охлаждения, в которых СОЖ из всех технологических систем
поступает в единую емкость, расположенную вдали от оборудования,
даже вне здания цеха. В ряде случаев эффективным может оказаться
дополнительный подогрев отдельных частей технологической системы.
Например, на рис. 7.23 величину перемещения yt можно существенно
уменьшить, подогревая до нужной температуры стенку 1 станины.
Компенсация тепловых деформаций (четвертое направление)
обычно используется как средство снижения влияния на точность
обработки деформаций обрабатываемой детали. Применяются такие
устройства при обработке длинных и крупногабаритных деталей. Так,
при обработке длинного жестко закрепленного в центрах вала за счет
его нагрева увеличивается длина оси. При жестко закрепленном заднем
центре это удлинение вызовет выпучивание оси вала, что приведет к
искажению формы обработанного вала в осевом сечении. Аналогичная
картина наблюдается при фрезеровании длинной плоскости на жестко
закрепленной на столе детали и в других случаях. Для устранения
влияния
тепловой
деформации
детали
на
точность
обработки
применяют либо одностороннее ее крепление в направлении длины,
либо
в
динамическую
цепь
зажима
детали
включают
упругие
компенсирующие звенья. Примером такой компенсации может служить
применение пневматического, гидравлического или пружинного поджима
заднего центра на токарных станках. Упругая рабочая среда (воздух,
жидкость, упругий металл и т.п.), сохраняя силу зажима детали,
позволяет
технологической
системе
компенсировать
тепловую
деформацию за счет отжима на эту величину заднего центра. В
некоторых случаях бывает возможным при установке заготовки в
технологическую систему заранее ее сдеформировать на величину
333
будущей тепловой деформации, но в противоположную ей сторону.
Тогда при обработке проявляет себя эффект автокомпенсации тепловой
деформации, что и повышает точность обработки.
7.4.5. Размерный износ инструмента как причина погрешности
динамической настройки
При
обработке
резанием
происходит
износ
рабочего
инструмента, т.е. постепенно истирается и уносится со стружкой или
обрабатываемой поверхностью часть инструментального материала.
Явление износа может иметь разные последствия для инструмента,
технологической системы и получаемого технологического размера.
Результатом износа может быть затупление, что изменяет геометрию
резания, приводит к увеличению силы резания и, следовательно, к
дополнительным
упругим
деформациям
технологической системы,
которые и обуславливают часть погрешности динамической настройки,
рассмотренную в п. 7.4.2 настоящей главы. Для оценки затупления в
этом случае применяют размер площадки износа на задней грани пли
радиус, округления режущей кромки. Однако износ сказывается на
результате обработки не только через динамику процесса резания и
упругие свойства (жесткость) технологической системы. При износе
независимо от того, сопровождается он затуплением инструмента или
нет, изменяется положение вершины резца относительно ее положения
в первoнaчaльный момент резания на величину и. Как видно из рис.
7.24,а величиной и оценивается износ, измеренный в направлении
нормали N к обрабатываемой поверхности.
334
Рис. 7. 24. Влияние размерного износа на технологический размер
а)- схема образования погрешности диаметра при обтачивании в результате
размерного износа резца; б)- типичная кривая изнашивания режущего инструмента
во времени
Такой износ и принято называть размерным. Конечно, величина износа
и накапливается за какое-то время. Размерный износ согласно схеме на
рис. 7.24,а превращается в погрешность размера. Величина износа есть
некоторая функция времени работы инструмента (рис.7.24,б) или длины
пути резания (рис.7.25). Многочисленные исследования по трению и
износу инструментальных материалов показывают, что размерный износ
описывается
кривой изнашивания,
типичный вид которой
приведен на рис. 7.24,б и рис. 7.25.
Рис. 7.25. Зависимость размерного износа
335
инструмента от длины пути резания
Эта кривая, как и всякая кривая изнашивания,
имеет
три
характерных участка:
I – время приработки,
интенсивностью
факт, что во время
характеризующееся повышенной
износа ин. Основной причиной этого является тот
приработки
за
счет интенсивного износа на
рабочих гранях инструмента достигаются оптимальные шероховатость,
микротвердость и другие свойства материалов пары трения. На рис.
7.26 приведены характерные кривые,
изменения
шероховатости
поверхности инструмента
описывающие
и микротвердости
с
динамику
трущейся
разными первоначальными их
значениями.
Рис. 7. 26. Динамика изменения параметров качества трущейся поверхности во
времени:
а) – изменение шероховатости,
б) – изменение микротвердости
336
Эксперименты показывают, что в каждой трущейся паре на
поверхности
трения формируются некоторые величины
Raопт
и,
которые получили название оптимальных и которые сохраняются
длительное время. Если начальные величины
отклоняются от
опт
Raопт и H v
Ra1 , Ra2 „
и
H v1 , H v2
, то на периоде приработки идет либо
уменьшение шероховатостей (кривые 2), либо их увеличение (кривые 1)
до достижения оптимальных для данных материалов значений, и это
уменьшение (или увеличение) сопровождается достаточно интенсивным
износом. По данным А.А. Маталина 5 продолжительность начального
износа ин, выраженная длиной пути Lн, находится в пределах 500 –
2000
м
(первая
цифра
соответствует
хорошо
доведенным
инструментам, вторая – заточенным инструментам).
На участке II кривой износа условия трения оптимизировались и
интенсивность износа существенно уменьшается и его величина
пропорциональна пути резания. Интенсивность этого износа оценивают
относительным (удельным) износом и0 (мкм/км), который определяется
из экспериментов для различных трущихся пар по формуле:
и0 
и
,
L
(7.20)
где: и – размерный износ в микрометрах на пути резания L,
L – путь резания в зоне II нормального износа в километрах.
С точки зрения достижения точности технологического размера
в партии деталей предпочтительно работать именно на этом участке
кривой износа.
Наконец, в какой-то момент времени интенсивность износа
резко возрастает, наступает катастрофический износ (участок III).
Дальнейшая работа приводит, как правило, к выкрашиванию рабочих
337
кромок и поломке инструмента. Допускать работу инструмента на
участке III нельзя.
Из
многочисленных
экспериментов
по
исследованию
размерного износа различных инструментов определены значения и0
для различных сочетаний
материалов.
инструментальных
и
обрабатываемых
Например,
А.А. Маталин 5 приводит следующие данные о величинах удельного
износа резцов
из
твердых сплавов
при
чистовом
точении
и
растачивании (табл. 7.3).
Таблица 7.3
Относительный (удельный) износ и0 резцов
при точении и
растачивании с глубиной резания t = 0,1÷0,3 мм при достижении
шероховатости Rz =10 мкм
Обрабатываемый
МатеРежимы резания
материал
и
его риал
Скорость
Подача S,
структура
инструрезания V,
мента
мм,об
м/мин
1
2
3
4
Стойкость по Удельшероховатости ный
в метрах пути износ
резания
и0 ,
5
мкм/км
6
Стали углеродистые
конструкционные
Т30К4 100-180
0,04-0,08
12 500
6,5
Стали
конструкционные
легированные
Т30К4 120-180
0,04-0,08
20 000
4,7
Стальное литье
Т30К4 100-160
0,04-0,06
7 000
8,5
Стали
конструкционные
закаленные
Т30К4 70-150
0,02-0,05
7 000
10
Чугун серый СЧ15 и
СЧ18
П+Ф+Г ВК3М
100-160
0,04-0,08
21 000
6,0
средний
Чугун серый СЧ21 и
СЧ28
П+Ф+Г
пластинчатый
ВК3М
120-160
0,04-0,08
23 000
6,5
Чугун ковкий КЧ30 и
КЧ37 Ф+Г округлый
ВК3М
80-140
0,03-0,06
19 000
6,0
Чугуны
7,0
высокопрочные ВЧ
ВК3М
120-160
0,04-0,08
21 000
Примечание: Обозначение структурных составляющих чугуна: Ф – феррит, П –
перлит,
Г – графит
338
Данные по другим инструментальным материалам можно найти в
справочниках по инструментам [23].
Используя приведенные в табл.
7.3 значения относительного (удельного) износа можно рассчитать
величину размерного износа и на участке нормального износа II при
длине резания L (см. рис. 7.25):
и  и0
L
,
1000
(7.21)
Применительно к точению длину пути резания можно определить по
формуле
L
где
D
–
диаметр
Dl
,
1000S
(7.22)
обрабатываемой
поверхности,
l
–
длина
обрабатываемой поверхности в м, S – подача, мм/об.
Чтобы учесть начальный износ инструмента, не усложняя
расчетов, предлагается расчетную длину пути резания, определенную
по формуле
(7.22), увеличивать на некоторую дополнительную
величину Lдоп. В этом случае формула (7.22) приобретает вид:
и
А.А.
Маталин
5
и0 ( L  Lдоп )
1000
(7.23)
рекомендует
принимать
при
таких
расчетах
дополнительный путь резания:
- для заточенных инструментов Lдоп = 1 500 м,
- для доведенных инструментов Lдоп = 500 м,
- в среднем Lдоп = 1 000 м.
Если ограничить допуском величину размерного износа и,
рассчитав его как часть допуска размера динамической настройки,
можно из формулы (7.23) определить период работы инструмента,
выраженный
в метрах пути
резания, в течение которого остигается
339
требуемая точность технологического размера, либо время работы
технологической системы до подналадки.
Пример.
Определить конусность, вызванную размерным износом
инструмента при обтачивании валка прокатного стана из конструкционной стали
диаметром 200 мм и длиной 3000 мм твердосплавным резцом из Т30К4. Режим
резания:
V = 100 м/мин,
t = 0,5 мм,
S = 0,05 мм/об
Решение: Из табл. 7.3 относительный (удельный) износ
и0 = 6,5 мкм = 0,0065 мм.
Длину пути резания определим по формуле (7.22):
L
3,14  200  3000
 37680 м
0,05 1000
Износ резца за время обработки валка определим по формуле (7.23), приняв Lдоп =
1 000 м:
и  0,0065
37680  1000
 0,251мм
1000
Конусность как разность диаметров на концах обточенного валка Δd = 2и = 0,502 мм.
Если этот валок разрезать на 100 дисков
толщиной 30 мм каждый
(представим
себе, что это партия заготовок зубчатых колес обтачивается по наружному диаметру
200 мм), то при обтачивании полученной партии получим рассеяние диаметров по
полю
ωd = 0,502 мм. Это означает, что только из-за размерного износа резца
точность обработанной партии деталей будет не выше
квалитета.
Для уменьшения влияния размерного износа на погрешность
динамической настройки можно действовать в двух принципиально
различных направлениях:
1) ограничить
величину
допустимого
размерного
износа
инструмента,
2) компенсировать
износа
накапливающуюся со временем величину
инструмента
путем
периодического
внесения
поправки в размер статической настройки.
При разработке мероприятий по первому направлению следует
иметь
в
виду,
инструмента,
что
ужесточение
конечно,
повысит
340
допуска
точность
на
размерный
обработки
износ
партии
деталей, однако количество деталей, обработанных за время, пока
накопится допустимая величина износа, уменьшится. Уменьшение
допустимой величины износа потребует более частого вмешательства
человека в работу
технологической системы:
нужно
будет
чаще
менять инструмент, нести дополнительные затраты на его переточку и
наладку технологической системы, либо чаще проводить подналадку.
Поэтому, ограничив размерный износ допуском, необходимо наметить и
реализовать
мероприятия
обработанных
с
одной
для
увеличения
настройки
количества
инструмента.
В
деталей,
числе
таких
мероприятий могут быть:
 применение более износостойких материалов;
 сокращение
периода
величины износа
достижения
граней
приработки
за
этот
инструмента
период
путем
оптимальных характеристик
инструмента
(применением
в
процессе
специальных
и
рабочих
его изготовления
финишных
операций
доводки рабочих граней);
 создание
более
инструмента:
благоприятных
назначение
условий
оптимального
работы
режима
резания, устранение вибраций, применение СОЖ и т.д.;
 повышение
стабильности
качества
в
партии
применяемых инструментов.
Последнее мероприятие требует пояснения. Для обработки
достаточно большого количества деталей используется
некоторое
количество инструментов, и каждый
из
них
переточек.
как
и всякая деталь, после их
При этом
изготовления
шероховатость,
имеют
инструменты,
все
параметры
допускает несколько
(точность
показатели физико-механических свойств
размеров,
материала
и т.д.) рассеянными в пределах допусков. Это приводит к тому, что
каждый из инструментов будет иметь свою кривую износа, как это по341
казано на рис. 7.27, где I
и II
- кривые износа инструментов с
предельными показателями качества).
Рис. 7.27. Кривые износа инструментов из партии, изготовленных в пределах
допусков на показатели их качества
В результате этого в большой партии обработанных деталей
при ограничении времени их работы τ1 (например, периодом стойкости)
возникает
дополнительная
  и ,
настройки дн
равная
часть
разнице
погрешности
в
величине
динамической
износа
разных
инструментов за время τ1. Поэтому повышение стабильности качества
инструментов является важным мероприятием по уменьшению влияния
размерного износа
на погрешность динамической настройки. Это
"сближает" кривые износа I и II (см. рис. 7.27) и уменьшает Δи - часть
погрешности динамической настройки.
Второе направление (компенсация накопленной погрешности от
размерного износа) реализуется подналадкой технологической системы,
теоретические основы и содержание которой будут рассмотрены в
следующей главе, так
как подналадка – это одна из важнейших
возможностей управления точностью технологического размера при
обработке заготовок в технологических системах.
342
7.4.6. Деформация обрабатываемых деталей в результате
перераспределения внутренних напряжений
Практически каждая поступающая на обработку заготовка несет
в себе внутренние (их еще называют остаточными) напряжения. Они
характеризуются знаком, величиной и эпюрой распределения. Эпюра
напряжений может охватывать:
 весь объем материала, и такие напряжения называют
макронапряжениями или напряжениями первого рода;
 в
микроскопических
объемах
возникают
напряжения
второго рода;
 в улътрамикроскопических объемах– напряжения третьего
рода.
Эти напряжения остаются в детали после снятия нагрузок
предыдущей обработки и внешне себя ничем не проявляют,
как взаимно
уравновешиваются.
Но
при механической обработке
с заготовки снимается какая-то часть материала,
равновесие
внутренних
так
что
нарушает
напряжений. Начинается перераспределение
напряжений и переход материала в
новое равновесное
состояние,
и этот переход сопровождается
деформацией обработанной детали.
Эта деформация может протекать постепенно по мере съема
припуска или же тормозиться силами крепления заготовки. В последнем
случае обработанная деталь деформируется после открепления и
нарушаются ее форма и размеры. Таким образом, для повышения
точности обработки необходимо
напряжения в заготовке.
в
всемерно
Эту цель
можно
уменьшать
достигнуть,
внутренние
действуя
двух направлениях:
 уменьшать
напряжения,
предыдущей операции,
343
формирующиеся
на
 вводить между операциями специальную обработку для
снятия внутренних напряжений.
Напряжения, формирующиеся при обработке, в значительной
степени зависят от конструкции детали, вида обработки и условий ее
проведения. Так, например, наибольшие напряжения останутся в
сложных по конструкции отливках, имеющих неравномерные сечения с
резкими переходами от местных скоплений металла к тонким стенкам и
ребрам. Неравномерность затвердевания и остывания таких отливок
способствует образованию больших остаточных напряжений. Поэтому
улучшение
конструкции
такой
детали
может
быть
основным
мероприятием для снижения деформации после операции механической
обработки.
Внутренние напряжения отливок во времени не сохраняют свою
величину, они перераспределяются под влиянием суточных, сезонных
колебаний
температуры,
причем
это
перераспределение,
а
следовательно, и деформация продолжаются и во время работы детали
в машине. Для снижения этого эффекта в готовой детали применяют
старение отливок: естественное или искусственное. Естественное
старение заключается в выдержке отливок на открытом воздухе
длительное (до полугода) время, искусственное старение –
это
специальная термообработка с переменным нагревом и охлаждением,
имитирующими в какой-то мере суточные колебания температуры и
интенсифицирующими
Практика
и
процессы
исследования
перераспределения
показывают,
что
напряжений.
интенсивность
перераспределения напряжений значительно возрастают при удалении
верхних, самых напряженных слоев. Поэтому обычно перед старением
отливки подвергают черновой (обдирочной) обработке. Известны и
способы
искусственного старения за счет энергии механических
колебаний, возникающих в материале заготовки при нанесении по ней
ударов.
В
последние
годы
создаются
344
специальные
вибраторы,
закрепляемые
на
заготовке
и
возбуждающие
в
ней
упругие
колебательные волны определенной интенсивности и распределения,
что
позволяет
в
течение
нескольких
часов
достичь
эффекта
естественного старения.
Контрольные вопросы:
1. Этапы обработки поверхности и их роль в формировании
технологического размера.
2. Погрешность
установки, возможные пути и меры
для
уменьшения ее величины.
3. Погрешность статической настройки, возможные пути и меры
для уменьшения ее величины.
4. Погрешность динамической настройки, возможные пути и
меры для уменьшения ее величины.
5. Жесткость технологической системы и ее роль в образовании
погрешности динамической настройки.
6. Пути и меры уменьшения влияния упругих перемещений в
технологической
системе
на
величину
погрешности
динамической настройки.
7. Роль тепловых деформаций технологической системы в
образовании погрешности динамической настройки.
8. Роль
размерного
износа
режущего
инструмента
в
образовании погрешности динамической настройки.
9. Роль
упругих
деформаций
заготовки
погрешности динамической настройки.
345
в
образовании
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа