книги / Технология инструментального производства
..pdfРис. 1. Схемы отклонения от геометрической формы изделий
Величина отклонений должна находиться в пределах допусков на неточность изготовления изделий. Она зависит от способа обра ботки заготовок на операциях и от эксплуатационных характери стик изделий. Допуски на неточность изготовления взаимно сопря женных деталей обеспечивают их взаимозаменяемость. Сборка сложных многодетальных инструментов (резьбонарезных головок, сборных инструментов) в серийном производстве немыслима без взаимозаменяемости деталей. Однако в условиях единичного произ водства при сборке в большинстве случаев детали подгоняют по месту.
Основными причинами, обусловливающими возникновение по грешностей обработки, являются следующие.
1. Неточности станка и его износ. Детали станков изготовляют с неизбежными отклонениями, в результате абсолютная точность работы станка, его движений невозможна. Например, для токарнозатыловочных станков с высотой центров до 300 мм и расстоянием между центрами до 1000 мм допускают следующие отклонения: радиальное биение центрирующейшейки шпинделя передней бабки в любом направлении должно быть не более 0,01 мм; радиальное биение конического отверстия шпинделя передней бабки у конца его должно быть не более 0,01 мм, а на расстоянии 300 мм от конца шпин деля при проверке на цилиндрической оправке — не более 0,02 мм; параллельность направления движения салазок суппорта относи тельно шпинделя передней бабки на 100 мм длины должна быть не более 0,02 мм и т. д. Износ деталей станка понижает точность его работы. Упругие деформации отдельных деталей станка, появля ющиеся вследствие действия сил резания при механической обра ботке, приводят к снижению точности обработки. Она снижается также при вибрациях станка, возникающих вследствие несбаланси рованности отдельных быстровращающихся его деталей.
2. Неточности изготовления, установки и износ режущего ин струмента. Величина погрешностей во многом зависит от методов
И
обработки. К этим погрешностям в пределах заданных допусков относятся: отклонения диаметра рабочей части цилиндрического инструмента; отклонения профиля у резьбонарезного и зуборезного инструмента; радиальное и осевое биение режущих кромок на рабо чей части инструментов. На неточность обрабатываемых заготовок влияют также погрешности при установке режущих инструментов во втулках, патронах, державках и прочих приспособлениях вслед ствие изготовления последних с некоторыми отклонениями от но минальных размеров. Кроме того, на точность обработки влияет износ режущего инструмента. Он выражается в истирании режущей кромки в процессе резания, которое влияет на изменение размеров заготовок во время их обработки. Так, если измерить изделие после протачивания по наружной поверхности сразу же после установки нового резца, а затем измерить пятидесятое изделие, то можно убе диться, что диаметр последнего будет больше, чем первого. Это уве личение диаметра произошло в результате износа режущей кромки резца и его отжима вследствие увеличения радиальных сил резания. То же можно сказать и относительно влияния износа шлифовального круга.
На величину и темп износа режущего инструмента влияют сле дующие факторы: материал обрабатываемой заготовки; тип, кон струкция, размеры, материал и термическая обработка режущего инструмента; методы окончательной обработки режущих кромок;
режимы |
резания; охлаждение |
и |
т. д. |
|
|
||
3. |
Жесткость |
системы |
«станок—приспособление—инструмент— |
||||
деталь» (СПИД). При механической обработке возникают силы |
|||||||
резания, воспринимаемые узлами |
станка, |
приспособлением, обра |
|||||
батываемой деталью |
и |
инструментом. Величина сил резания при |
|||||
черновой |
обработке |
значительно больше, |
чем при |
чистовой. Силы |
|||
резания |
вызывают упругие деформации в системе СПИД в нап |
||||||
равлении |
действия |
сил. |
Понятие |
жесткости системы СПИД свя |
|||
зано с ее способностью оказывать |
сопротивление |
силам, стремя |
щимся деформировать детали и узлы этой системы. В процессе обработки силу резания Р мы можем разложить в системе координат (трех взаимно перпендикулярных плоскостей) на три составляющих силы резания Рх, Ру и Р2.
Жесткостью упругой системы СПИД называется отношение составляющей силы резания Ру к смещению у кромки инструмента относительно обрабатываемой заготовки в направлении действия этой силы:
] — — кгс/мм (Н/мм). |
(2) |
У |
|
Упругие деформации в системе СПИД изменяют взаимное распо ложение режущего инструмента и обрабатываемой заготовки и вызывают погрешности в их формах и размерах. Погрешности от упругих деформаций достигают 80% всех погрешностей.
В результате возникающих упругих деформаций на обработан ной поверхности копируется форма исходной заготовки. Например, после обтачивания эксцентрично зацентрованной заготовки на то-
12
г)
Рис. 2. Искажение формы обработанных поверхностей заготовок, вызываемые непо стоянством жесткости системы СПИД
карном станке (рис. 2, а) изделие также будет иметь эксцентриситет (в меньшей степени, чем на исходной заготовке), равно как и при шлифовании эксцентричной заготовки на круглощлифовальном станке (рис. 2, б). Это объясняется неравномерным припуском, вы зывающим переменные силы резания, а следовательно, и перемен ную жесткость. При шлифовании в центрах заготовки с неравномер ным припуском форма ее также искажается. В зонах входа и выхода инструмента форма заготовки искажается в результате сил отжа тая инструмента от этой заготовки; это наблюдается почта на всех станках (рис. -2, в).
Жесткость системы СПИД непостоянна и зависит от жесткости отдельных элементов системы и узлов станка. Тонкие валы после обработки их на токарных станках без люнетов получаются бочко образными (рис. 2, г) вследствие больших прогибов в средней части, чем по концам. При растачивании отверстия резцом, закрепленным в консольной оправке, отверстие имеет коническую (рис. 2, д) или параболическую (показано штриховой линией) форму..
Небольшие деформации, вызываемые недостаточной жесткостью отдельных узлов станка, возникают в подвижных соединениях де талей станка. Жесткость в местах соединения отдельных деталей станка или приспособления называют контактной. В значительной степени она зависит от качества обработки и сборки деталей узла станка или приспособления. Повышение контактной жесткости узлов
достигается соответствующим |
натягом сопряженных деталей. Так, |
в неподвижных соединениях |
натяг равен 15 кгс/см2 (150 Н/см2), |
в подвижных соединениях его ограничивают величиной 1—2 кгс/см2 (10—20 Н/см2).
Из примера, показанного на рис. 2, б, видно, что круглое шлифо вание эксцентричной заготовки не исключает (хотя и уменьшает) эксцентричность. Отчего же это происходит? Цилиндрическая заго товка вращается относительно неподвижных центров. Шпиндель шлифовальной бабки вращается в подшипниках. Следовательно, в этом подвижном соединении имеются незначительные зазоры, которые обусловливают появление контактной жесткости. При шлифовании заготовок с неравномерным припуском у х и у 2 вслед-
121
ствие неравномерного сечения стружки возникают неравномерные силы резания, в результате чего шпиндель шлифовального круга будет отжиматься от заготовки, сдвинется со своего нормального положения и займет какое-то другое положение за счет имеющихся зазоров между шпинделем и отверстием подшипника. При этом установку заготовки в центрах передней и задней бабок рассматри ваем как абсолютно жесткую.
Для устранения влияния действия контактной жесткости в шпин деле шлифовальной бабки применяется выхаживание. Выхаживание осуществляется применением многих рабочих ходов без сообщения шлифовальному кругу поперечной подачи. В процессе выхажива ния шпиндель шлифовального круга стремится постепенно занять свое нормальное положение и снимает с обрабатываемой заготовки весьма незначительные сечения стружки. Наконец, наступает такой момент, когдашлифовальный круг не снимает никакой стружки, и вся система как бы приходит в равновесие.
Жесткость токарного станка определяется жесткостью его основ ных узлов — шпинделя, суппорта и задней бабки. Жесткость шпин дельного узла с высотой центров 200—250 мм составляет в среднем 7000—9000 кгс/мм (70—90 кН/мм). Суппорты станков после хорошей пригонки деталей имеют жесткость 5000—7000 кгс/мм (50—70 кН/мм). Задние бабки при вылете пиноли до 40—60 мм имеют жесткость 8000—10 000 кгс/мм (80—100 кН/мм); при увеличении вылета пиноли до 100 мм жесткость задней бабки снижается в 2 раза. Суммар ная жесткость станка с высотой центров 200 мм с учетом «сполза ния» заготовки с центров (вследствие их деформации, но без учета прогиба заготовки при нагружении в среднем положении может быть доведена до 2000 кгс/мм (20 кН/мм). Суммарная жесткость токарных станков с высотой центров до 200 мм колеблется в пределах 1500— 5000 кгс/мм (15—50 кН/мм).
4. Деформации обрабатываемой заготовки. Остаточные и упругие деформации, происходящие в заготовках при обработке на станках, искажают их форму и приводят к неточности размеров.
Остаточные деформации в заготовках появляются под влиянием: внутренних напряжений в поковках и литье вследствие неравномер ного их остывания и резких переходов от тонкостенных к толсто стенным частям; внутренних напряжений в поковках, возникающих во время их термической обработки и неравномерного остывания; наклепа при обработке резанием. После обработки изменяются вну тренние напряжения и заготовка деформируется. Если не принять мер к своевременному снятию внутренних напряжений, заготовка по истечении некоторого времени изменит свои размеры. Какие же меры применяются для этого? Снятие внутренних напряжений до стигается естественным и искусственным старением.
Естественное старение заключается в том, что заготовки дли тельное время выдерживают в естественных условиях обычно на складах, где они подвергаются действию холода и жары. Длитель ность старения — от трех месяцев до двух лет, в зависимости от тех нических требований. Такому старению подвергаются станины стан
14
ков и приборов, чугунные летали суппортной группы и детали приборов.
Для ускорения процессов снятия внутренних напряжений при меняют искусственное старение. При этом заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают и затем постепенно охла ждают. Такой обработке подвергают небольшие станины станков, короткие ходовые винты для токарно-затыловочных станков (после чернового нарезания резьбы), калибры и шаблоны после терми ческой обработки, или между операциями окончательного шлифова ния и доводки или до окончательного шлифования. Одним из таких способов является нагрев калибров в масляной ванне или электро шкафу до 120° О с выдержкой в пределах 20—30 ч.
При обработке исходных заготовок, особенно на первых опе рациях технологического процесса, когда снимается большая ве личина припуска (1,5—2,5 мм на сторону), жесткость заготовки имеет большое значение. При недостаточной жесткости эта заго товка прогибается и размеры на обработанной поверхности полу чаются неточными. Считается, что если отношение длины Ь заготовки к диаметру й больше 12, то она недостаточно жесткая и ее трудно обрабатывать. В этих случаях применяют дополнительные устрой ства или изменяют технологию: обтачивают и шлифуют с примене нием люнетов; обтачивают резцами, диаметрально расположенными относительно друг друга; снижают режимы резания; обтачивают с установкой заготовки не в центрах станка, а путем поддерживания одного конца в патроне, а другого конца — центром задней бабки.
5. Колебания припуска на исходных заготовках. Общий при пуск в исходной заготовке в любом ее сечении располагается не равномерно относительно контуров изделия. Эта неравномерность обусловливается отклонением сечения круглой заготовки от гео метрической формы вследствие овальности, полученной в прутках при прокатке их на металлургических заводах; смещением оси цен тровых отверстий в заготовке при центровании; отклонением гео метрических форм квадратных, прямоугольных и иных от параллель ности сторон, прямолинейности плоскостей и т. д.
6.Колебания твердости металла. Твердость металла в разных местах по длине кованого, горячекатаного, холоднотянутого и холод нотянутого шлифованного (серебрянка) прутков колеблется при изготовлении их в нормальных производственных условиях весьма незначительно. Неравномерная твердость получается в процессе отжига прутков вследствие неодинаковой температуры в разных местах камеры печи. Неравномерная твердость обусловливает пе ременные силы резания в процессе обработки, вызывающие неоди наковое отжатие заготовки в системе СПИД.
7.Неточности установки заготовок и неравномерный зажим их
вприспособлениях. Детали приспособления, даже при тщательном их изготовлении, имеют неизбежные погрешности в пределах до пусков на неточность изготовления. В результате этого после сборки
вприспособлениях возникают неточности в движениях отдельных деталей и узлов, в работе зажимных элементов и т. д.
15
Упругие Деформации, возникающие в отдельных деталях при способлений под действием больших зажимных сил и под влиянием сил резания, также снижают точность обработки. Для уменьшения влияния упругих деформаций отдельных деталей приспособлений рекомендуется эти детали изготовлять массивными и жесткими.
Для уменьшения погрешностей заготовок из-за неточности или износа деталей приспособлений необходимо своевременно их за менять, периодически проверять приспособления. Надо иметь в виду, что при зажиме заготовок в приспособлениях путем приложения физической силы рабочего, сила зажима непостоянна и, следова тельно, жесткость системы будет также непостоянной. Сила зажима будет также колебаться и в пневмоприводах из-за неизбежного колебания давления воздуха в сети. Меньшие колебания давления испытывают гидроприводы.
Экономическая точность обработки. Перечисленные выше фак торы, влияющие на точность изготовления заготовок на металло режущих станках, обусловливают получение этих заготовок с погреш ностями. При выборе методов обработки на металлорежущих стан ках необходимо стремиться к достижению экономической точности. Продолжительность обработки является основным фактором, влия ющим на экономику производства. Поэтому для изготовления за готовки выбирают такие методы обработки, которые могли бы обес печить получение необходимой точности при наименьшей ее про должительности. Такую точность называет экономической.
Экономическая точность обработки характеризуется средними отклонениями обрабатываемой заготовки от номинальных размеров при работе на металлорежущих станках в нормальных производ ственных условиях. Например, при обтачивании вала на токарном станке наружный диаметр его будет выдержан с определенной для данного станка точностью, а при шлифовании этого же вала на круглошлифовальном станке диаметр его будет выдержан с другой точностью, более высокой.
В табл. 1 приведены средние экономические точности обработки, составленные по данным ряда заводов. Приведенные в этой таблице данные следует рассматривать как средние значения, которые до стижимы на практике в нормальных производственных условиях, т. е. при правильно выбранном оборудовании, приспособлении и инструменте, при работе на исправном станке и приспособлении. Квалификация рабочего должна удовлетворять предъявляемым ус ловиям обработки.
На практике возможны и даже иногда неизбежны отклонения от средних значений экономической точности обработки. Эти отклоне ния будут зависеть от условий обработки, станка, приспособления
иинструмента. Приведенные в табл. 1 данные относятся к обработке на станках общего назначения. К специальным станкам, автоматам
иполуавтоматам эти данные применить нельзя, так как в отдельных случаях может быть достигнута большая точность обработки.
Статистические методы определения точности обработки Эко номическая точность обработки, как результат производственного
16
Таблица 1
Экономическая точность обработки цилиндрических поверхностей
Вид обработки |
Класс |
ост |
Вид обработки |
Класс |
ост |
точности |
нкм |
точности |
НКМ |
Обтачивание: |
|
|
|
черновое . . . . |
Св“ |
В& |
1015 |
чистовое . . . |
с4 = |
в 4 |
1014 |
Шлифование круг |
|
|
|
лое: |
|
|
|
чистовое . . . |
от |
|
1013 |
|
Сз — Вз |
1012 |
|
• |
ДО |
В |
|
с = |
|
||
тонкое ................ |
С1 - В |
1 |
1041 |
Сверление: |
|
|
|
без кондуктора |
А* |
|
1015 |
с кондуктором |
а4 |
|
1014 |
Растачивание:
черновое . . . .
чистовое |
. . • |
Зенкерование
Развертывание:
одной разверт-
к о й ................
двумя разверт ками . . . .
Шлифование:
Аб |
1015 |
а4 |
1014 |
а 4 |
1014 |
Аз |
1013 |
А1012
чистовое |
. . . |
А |
1012 |
гонкое ................ |
|
Ах |
1041 |
Протягивание . . . |
' А |
1012 |
опыта, не дает полного представления о фактической точности, возможной при изготовлении данной заготовки выбранным методом, так как она зависит от реальных условий обработки, станка, при способления и инструмента.
В процессе механической обработки заготовка подвергается воз действию большого количества систематических и случайных явле ний, каждое из которых оказывает влияние на течение процесса в целом. В большинстве случаев влияние систематических явлений может быть учтено или устранено. Учесть влияние случайных явлений и даже простое перечисление их практически невоз можно.
Для нахождения численных закономерностей массовых случай ных явлений применяют математический метод исследования. При рассмотрении небольшого числа случайных явлений установить ка кую-либо математическую закономерность невозможно. Для изуче ния закономерностей количественного и качественного характера в массовых явлениях применяют статистические методы, основанные на законах больших чисел и установленные в курсах «Теория ве роятностей» и «Математическая статистика» 15].
Погрешности, возникающие в процессе обработки заготовок, разделяются на систематические и случайные.
К систематическим погрешностям относят такие, которые имеют определенный, закономерный характер. Они могут возникнуть вслед ствие износа направляющих станины, рабочей части режущего инструмента, направляющих втулок в приспособлении, шпинделя станка и других причин. В большинстве случаев влияние система-
17
/77 шт |
/77 шт |
|
|
|
60 |
|
|
|
60 |
777 |
у . |
|
20 |
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
Щ 1*5 50 55 60 65 70 75 80 85мм |
Щ |
т т ; |
2 2 |
45 50 55 60 |
65 70 75 80 85мм |
||
й) |
|
б) |
Рис. 3. Распределение диаметров круглой плашки после обтачивания
тических погрешностей может быть устранено. Так, износ станины может быть устранен своевременным шабрением ее направляющих, затупившийся режущий инструмент — заменен заточенным, изно шенная направляющая втулка — заменена новой.
К случайным относятся погрешности, которые заранее преду смотреть невозможно. Они могут появиться, когда заготовки имеют неравномерный припуск или твердость в исходном состоянии не одинакова, когда зажим заготовок в патроне неравномерен, когда жесткость станка недостаточна и т. д. Иногда можно устранить случайные причины или уменьшить их влияние проведением допол нительных технологических мероприятий, обеспечивающих полу чение заготовок со строго установленными припусками и твердостью в узких пределах, использованием пневматических и гидравличе ских патронов, приспособлений, которые позволяют держать силы зажима в узких пределах.
Случайные погрешности при обработке обладают следующими свойствами [5]: чем меньше по абсолютной величине погрешность, тем чаще она встречается в процессе обработки; одинаковые по. абсолютной величине, но противоположные по знаку («+» или «—») случайные погрешности обычно одинаково возможны и поэтому встречаются одинаково часто. Распределение исследуемого пара метра изделия при наличии только случайных погрешностей будет симметричным относительно центра группирования. При наличии же систематических погрешностей центр группирования будет сме щен и такое распределение может оказаться асимметричным.
В результате действия систематических и случайный погреш ностей' при обработке заготовок на металлорежущих станках их действительные размеры носят переменный характер, т. е. получается так называемое рассеяние размеров. Рассеяние какого-либо при знака (параметра) может быть изображено в виде полигона, гисто граммы (или других графических предстарлений) и такая кривая называется кривой распределения.
На рис. 3 показаны графики эмпирического распределения раз меров при обработке партии круглых плашек Мб х1 (ГОСТ 9740—71) в виде полигона распределения (рис. 3, а) и гистограммы распреде-
18
Таблица 2
Эмпирическое распределение наружных диаметров круглой плашки после обтачивания
|
Абсолют |
|
Относитель |
|
Абсолют |
Относитель |
Диаметр в мм |
ная |
|
Диаметр в мм |
ная |
||
частота |
|
ная частота |
частота |
ная частота |
||
|
т |
|
ю |
|
т |
|
19,846— 19,850 |
2 |
, |
0,0106 |
19,871— 19,875 |
16 |
0,0841 |
19,851— 19,855 |
14 |
|
0,0736 |
19,876— 19,880 |
3 |
0,0158 |
19,856— 19,860 |
44 |
|
0,2322 |
19,881— 19,885 |
1 |
0,0053 |
19,861— 19,865 |
70 |
|
0,3680 |
19,886— 19,890 |
2 |
0,0106 |
19,866— 19,870 |
' 38 |
|
0,2000 |
|
2 т — 190 |
2 © = 1,000 |
ления (рис. 3, б), построенные по данным табл. 2. Эта таблица со ставлена на основании наблюдений за рассеянием наружного диа метра круглой плашки после обтачивания ее на токарно-револьвер ном автомате 1А36. Диаметр круглой плашки после обтачивания должен быть 19,93-од мм (исходный материал — холоднотянутая сталь диаметром 21_о,14 мм марки 9ХС). На рис. 3 эмпирическое распределение показано сплошной линией, а теоретическое — штри ховой. Из сравнения их видим достаточную близость теоретически вычисленных данных к эмпирическим.
При исследовании погрешностей обработки трудно провести резкую грань между случайными и систематическими погрешностями. Малые по величине систематические погрешности могут оказаться незаметными и перейти в категорию случайных. Процесс обработки, в котором все погрешности относятся только к случайным, мы будем называть устойчивым, стабильным процессом. Значит задача стаби лизации процесса обработки сводится к обнаружению системати ческих погрешностей и к устранению причин их вызывающих. При чины, вызывающие случайные погрешности, многочисленны и раз нообразны и более или менее независимы друг от друга. Каждая такая причина вызывает случайную погрешность, которая подчи няется своему закону распределения. Фактическая погрешность обработки является суммой большого количества отдельных случай ных погрешностей.
Для получения достоверной кривой распределения с целью вы явления характера рассеяния размеров рекомендуется сделать по крайней мере 100—300 измерений. В отдельных случаях достаточно произвести 50 измерений. Такой способ исследования носит назва ние выборочного. Отобранная для измерений часть заготовок на зывается выборкой или выборочной совокупностью. В силу этого к выборочному исследованию применимы теоремы теории вероят ностей, например закон больших чисел. Сущность закона больших чисел заключается в том, что при достаточно большом объеме выборки
19
пропорции интересующих нас признаков, полученные на основе выборочного исследования, будут сколь угодно мало отличаться от соответствующих пропорций этих признаков во всей генеральной совокупности [4, 9 ].
Из законов распределения наибольшее применение при обработке резЗнием имеют: закон нормального распределения размеров (закон Гаусса) и закон распределения существенно положительных вели чин (закон распределения Максвелла). С законом нормального распределения согласовывается распределение размеров, твердости, массы, химического состава, температуры, объема, мощности, ско рости, времени и т. д. С распределением существенно положительных величин согласовывается распределение: биений изделий по наруж ной и торцовой поверхностям, разностенности.
Аналитически закон нормального распределения выражается
формулой [4] |
1 _<*-*>* |
|
||
|
|
|||
|
у ----- 1 = е |
™ |
, |
(3 ) |
|
а У 2 п |
|
|
|
где у — теоретическая ордината (частота) |
распределения; |
|||
х — текущая |
абсцисса данного |
эмпирического распределения; |
||
о — среднее |
квадратическое отклонение |
или стандарт; |
е— основание натуральных логарифмов, равное 2,781;
х— средняя арифметическая из всех величин этого распреде
ления. |
|
мч |
|
Средняя |
арифметическая |
|
|
|
-_*1«1+*аЩ Л--1-хптп |
||
|
|
2 т |
|
где гпц т 2, тп — частота одинаковых значений; |
|
||
х г, х 2, хп — действительные размеры; |
данном |
||
|
2 т — сумма всех |
величин, встречаемых в |
|
Среднее |
распределении. |
|
|
квадратическое отклонение |
|
||
|
Щ (*! — 1с)2+ т а (лг8 — х)2Н------ 1-тп(хп— х)2 |
|
|
ИЛИ |
|
|
|
|
-1 / |
^ ( л — х)*т, |
(5) |
|
а-У |
- |
На рис. 4. изображены три теоретические кривые нормального распределения. Несмотря на различие в форме этих кривых, они имеют общие черты: расположены симметрично относительно верти кальной прямой, проведенной через наивысшую точку; имеют коло колообразную форму; все кривые, имеющие наивысшую точку, вправо и влево непрерывно понижаются. При меньшем значении
20