11. Припуски на механическую обработку

11.1. Виды припусков

Припуском называется слой материала, который необходимо удалить с поверхности заготовки в процессе механической обработки для достижения заданной точности и качества поверхности. Припуски различают межоперационные (промежуточные) и общие.

Межоперационный припуск (Z_м) – слой материала, снимаемый с поверхности детали в процессе выполнения технологической операции.

, (11.1)

где D_i-1 – размер детали до начала выполнения технологической операции; D_i – размер детали после выполнения технологической операции.

Общий припуск (Z_о) – слой материала, снимаемый с поверхности заготовки до получения готовой детали.

, (11.2)

где D_заг – размер заготовки; D_дет – размер готовой детали.

Общий припуск может быть определен как сумма межоперационных припусков по формуле

. (11.3)

Припуски могут быть односторонними и двусторонними. Кроме того, они могут быть симметричными и асимметричными (рис. 11.1).

11.1.1. Методы определения припусков

Установление оптимальных припусков на механическую обработку и технологических допусков на размеры заготовок по всем выполняемым переходам имеет существенное технико-экономическое значение при разработке технологических процессов изготовления деталей.

Увеличенные припуски вызывают излишний расход материала и введение дополнительных проходов, увеличивают трудоемкость обработки, расход энергии и режущего инструмента. При увеличенных припусках нередко удаляется наиболее износостойкий слой обрабатываемой детали.

а б

в г

Рис. 11.1. виды припусков на механическую обработку: а − односторонний;

б – двусторонни1 равномерный для плоской детали; в – неравномерный припуск

для плоской детали; г – равномерный припуск для детали класса тел вращения.

Уменьшенные припуски не обеспечивают полного удаления дефектного слоя и получения требуемой точности и шероховатости поверхности. Иногда создаются неприемлемые условия работы режущего инструмента по литейной корке или окалине. В результате недостаточных припусков возрастает брак, что повышает затраты на выпускаемую продукцию.

Определение оптимальных припусков тесно связано с установлением предельных промежуточных (межоперационных) размеров и размеров заготовки. Эти размеры необходимы для конструирования штампов, пресс-форм, моделей, стержневых ящиков, приспособлений, специального режущего и мерительного инструментов. А также для настройки металлорежущих станков, межоперационного контроля.

В машиностроении существуют два способа определения припусков: опытно-статистический и расчетно-аналитический.

Опытно-статистический метод расчета припусков.

При этом методе общие и межоперационные припуски выбираются из таблиц, которые составляются на основе опытных данных. Таблицы припусков составляются на основе данных передовых машиностроительных заводов, затем обобщаются и систематизируются. Опытно-статистические данные во многих случаях оказываются завышенными, так как не учитывают конкретных условий обработки.

Расчетно-аналитический метод определения припусков.

Этот метод разработан профессором В. М. Кованом. Метод основан на том, что промежуточный припуск должен быть достаточным для снятия слоя металла, включающего в себя погрешности обработки, дефектного слоя и погрешности установки.

При расчете припусков определяют минимальный (Z_min) и максимальный (Z_max). Иногда в расчетах используют номинальный припуск (Z_ном).

Минимальный припуск определяется следующими факторами.

1. Высота микронеровностей поверхности, полученная на предшествующем переходе механической обработки. R_zi-1. При расчете припусков на первую технологическую операцию величину R_zi-1 принимают по исходной заготовке. Она зависит от метода, режимов и условий выполнения предшествующей операции.

2 . Состояние и глубина дефектного слоя T_i-1, полученная на предшествующем переходе. У литых заготовок, особенно из серого чугуна, поверхностный слой состоит из перлитной корки, наружная часть которого нередко имеет формовочный песок. Этот слой является дефектным и он должен быть удален. У стальных поковок и штамповок поверхностный слой имеет обезуглероженную зону. Этот слой снижает предел выносливости материала, поэтому он должен быть удален. Изложенное можно представить графически (рис. 11.2).

Рис. 11.2. Принципиальная схема составляющих припуска

А – удаляемый поверхностный слой; В – не удаляемый поверхностный слой;

С – основной металл.

3. Пространственные погрешности ρ_i-1. К пространственным погрешностям относятся погрешности расположения поверхностей детали относительно базовых поверхностей (рис. 11.3). К ним относятся: отклонение от соосности наружной поверхности и растачиваемого отверстия заготовок для изготовления втулок (рис. 11.3, а); отклонение от соосности ступеней базовым шейкам или линии центровых гнезд заготовок ступенчатых валов; отклонение от перпендикулярности торцовой поверхности относительно оси цилиндрической заготовки (рис. 11.3, б); отклонение от параллельности обрабатываемой и базовой поверхностей и другие погрешности.

4. Погрешность установки на выполняемом переходе ε_у. Нестабильность положения обрабатываемой заготовки в приспособлении должна быть компенсирована припуском. Величина припуска ε_у зависит от метода закрепления и способа установки заготовки в приспособлении, а также вида и состояния приспособления (точность изготовления и износ установочных элементов).

При обработке плоских поверхностей с одной стороны минимальный припуск равен

. (11.4)

б

а

Рис. 11.3. Пространственные погрешности заготовок:

а – отклонение от соосности втулок; б – изгиб заготовок в виде прутка.

При обработке плоских поверхностей с двух сторон минимальный припуск равен

. (11.5)

При обработке деталей класса тел вращения минимальный припуск определяется по формуле

. (11.6)

При обработке в центрах ε_у = 0, поэтому формула (11.6) принимает вид

. (11.7)

При развертывании плавающей разверткой и протягивании отверстий смещения и увод оси не устраняются, а а погрешности установки в этом случае нет

. (11.8)

При суперфинишировании

. (11.9)

При шлифовании после термической обработки поверхностный слой нужно сохранить, поэтому погрешность T_i-1 из формулы исключается

при обработке плоских поверхностей;

при обработке деталей класса тел вращения.

Расчет минимального припуска можно представить в виде блок-схемы (рис. 11.4).

Рис. 11.4. Блок-схема расчета минимального припуска на обработку

При расчете минимального припуска величину пространственной погрешности можно определить расчетным путем в зависимости от схемы установки заготовки при выполнении операции.

При установке заготовки в центрах

, (11.10)

где Δ_кр – удельная кривизна заготовки, мкм/мм; L – длина заготовки.

При установке обрабатываемой заготовки в патроне

. (11.11)

Величина Δ_кр зависит от габаритных размеров заготовки, способа ее получения и вида механической обработки. Числовые значения Δ_кр приведены в таблицах.

М а к с и м а л ь н ы й п р и п у с к на обработку поверхностей:

Рассмотрим размеры и допуски детали на предшествующем и выполняемом переходах (рис.11.5).

а б

Рис. 11.5. Принципиальная схема для расчета припуска

а – минимальный припуск; б – максимальный припуск

Минимальный припуск (рис. 10.5, а) равен

, (11.12)

, (11.13)

где a_min – минимальный размер детали на предшествующем переходе; b_min – минимальный размер детали на выполняемом переходе; Z_min – минимальный припуск на обработку; Z_max – максимальный припуск на обработку.

С учетом допусков на размер детали ее размеры равны

, (11.14)

, (11.15)

где Т_а – допуск на обрабатываемый размер на предшествующем переходе; T_b – допуск на обрабатываемый размер на выполняемом переходе.

. (11.16)

С учетом уравнения (11.12) получим

. (11.17)

Принимаем обозначения:

Для наружных обрабатываемых поверхностей T_a = T_Di-1 ; T_b = T_Di

Для внутренних обрабатываемых поверхностей T_a = T_di-1 ; T_b = T_di

Формулы для расчета максимальных припусков имеют вид

При обработке наружных поверхностей

, (11.18)

. (11.19)

При обработке внутренних поверхностей

, (11.20)

. (11.21)

Максимальные припуски и припуски для технологических целей (уклоны, напуски, упрощающие конфигурацию заготовки, и т. п.) принимают в качестве глубины резания и используют для определения режимов резания (подачи, скорости резания) и выбора оборудования по мощности.

Общий номинальный припуск определяется как разность номинальных размеров заготовки и готовой детали

. (11.22)

Номинальный (расчетный) операционный припуск (Z_iном) – это разность номинальных размеров детали до и после выполнения данной операции

, (11.23)

где – минимальный номинальный припуск на выполняемой операции; – допуск выполняемого размера на предшествующем переходе.

При ориентировочных расчетах припусков для механической обработки принимают соотношение

(11.24)

Рассмотрим пример расчета припусков на механическую обработку ступенчатого вала (рис.11.6).

Рис.11.6. Обрабатываемый двухступенчатый вал

Материал вала – сталь 45. Заготовка – штамповка II класса точности. Масса заготовки – 2 кг. Токарной операции предшествовала фрезерно-центровальная. На этой операции выполнено фрезерование торцовых поверхностей и обработаны центровые отверстия. Базирование заготовки на фрезерно-центровой операции осуществлялось по поверхностям D₁ и D₃. Необходимо рассчитать припуски на обработку ступени вала D₃.

1. В соответствии с требованиями точности обработки поверхности D₃ устанавливаем маршрут обработки этой ступени вала:

черновое обтачивание;

чистовое обтачивание;

предварительное шлифование;

окончательное шлифование.

Вся обработка ведется в центрах.

Заносим маршрут обработки вала в табл. 11.1 (графа 1). Столбцы 2 и 3 заполняем, взяв данные в справочнике для заготовки. Для механической обработки данные о величинах R_zi-1 и T_i-1 принимаем в том же справочнике. Данные для графы 8 для заготовки выбираются из таблиц. Данные (R_zi-1 и T_i-1) при обработке резанием принимаем из справочника.

2. Расчет отклонения расположения поверхностей.

Для штампованной заготовки при обработке в центрах

,

где ΔΣ_k – общее отклонение оси от параллельности.

ΔΣ_k = 2Δ_k · l_k = 2· 0,15 · 80 = 24 мкм.

l_k – размер сечения, для которого определяется кривизна до торца заготовки (l_k = l₁ + l₂ = 30 + 50 = 80 мм);

Δ_k – удельная кривизна, мкм/мм.

После правки заготовки на прессе Δk =0,15 мкм/мм.

Средний диаметр, необходимый для выбора Δk определяется по формуле

Δ_у – смещение оси заготовки в результате погрешности центрования.

· мм.

где Т – допуск на диаметральный размер базы заготовки, использованной при центровании вала.

3. Определяем величину остаточных пространственных погрешностей Δr.

Черновое точение

где К_у – коэффициент уточнения.

Чистовое точение

Коэффициент К_у определяется по таблице справочника.

Расчетные значения заносим в графу 4 табл. 11.1.

4. Расчет минимальных припусков на диаметральный размер по переходам.

Черновое обтачивание: 2Z_min = 2(160 + 200 + 500) = 1720 мкм;

Чистовое обтачивание: 2Z_min = 2(50 + 50 + 30) = 260 мкм;

Предварительное шлифование: 2Z_min = 2(25 + 25 + 1,2) = 102 мкм;

Окончательное шлифование 2Zmin = 2(10 + 20) = 30 мкм.

Значения 2Zmin заносим в табл. 11.1 (графа 6).

Производим расчет минимальных размеров по технологическим переходам, складывая значения наименьших предельных размеров, соответствующих предшествующему технологическому переходу с величиной припуска на выполняемый переход.

D_{ок шл.} = 54,98 + 0,06 =55,04 мм;

D_пр.шл. = 55,04 +0,102 = 55, 142 мм;

D_{чист.точ}. = 55,142 +0,26 = 55,402 мм;

D_{черн.точ.} = 55,402 + 1,72 = 57,122 мм.

Значения заносим в табл. 11.1 (графа 7).

Определяем наибольшие предельные размеры

D_{ок шл.} = 54,98 + 0,02 =55,0 мм;

D_пр.шл. = 55,04 +0,06 = 55, 1мм;

D_{чист.точ}. = 55,150 +0,12 = 55,270 мм;

D_{черн.точ.} = 55,4 + 0,4 = 55,80 мм;

D_заг. = 57,0 + 2,0 = 59,0 мм.

Результаты заносим в табл. 11.1 (графа 9).

5. Расчет фактических максимальных и минимальных припусков

Максимальные припуски, мм	Минимальные припуски, мм
55,1 – 55,0 =0,1	55,04 – 54,94 = 0,06
55,27 – 55,1 = 0,17	55,15 – 55,04 = 0,11
55,8 – 55,27 = 0,53	55,4 – 55,15 = 0,25
59,0 – 55,8 = 3,2	57,0 – 55,4 = 1,6

Результаты заносим в табл. 11.1 (графы 11 и 12).

6. Рассчитываем общие припуски

Z_{o max} = ΣZ_max = 0,1 + 0,17 + 0,53 + 3,2 = 4,0 мм;

Z_omin = ΣZ_min = 0,06 + 0,11 + 0,25 + 1,6 = 2,02 мм.

Таблица 11.1

Результаты расчетов припусков на обработку поверхности D₂

Маршрут обработки поверхности D2	Элементы припуска, мкм				Расчетные величины		Допуск выполняемого раз-мера, мкм	Размеры заготовки по переходам		Предельный припуск, мкм
	Rzi-1	Ti-1	Ρi-1	εу	Припуск, Zmin, мкм	Минимальный диаметр, мм		Наиб.	Наим.	Zmax	Zmin
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Штамповка	160	200	500	-	-	57,122	2000	59,0	57,0	-	-
Точение: черновое	50	50	30	0	1720	55,402	400	55,80	55,40	3,2	1,6
чистовое	25	25	1,2	0	260	55,142	120	55,27	55,15	0,53	0,25
Шлифование: предварительное	10	20	0	0	102	55,04	60	55,10	55,04	0,17	0,11
окончательное	-	-	-	-	60	54,98	20	55,0	54,98	0,1	0,06

Производим проверку расчетов:

Z_omax – Z_omin = 4,0 – 2,02 = 1,98 мм; Т_з – Т_д = 2,0 – 0,02 = 1,98 мм.

ЛЕКЦИЯ № 12