Основы технологии машиностроения

Технология машиностроения - это наука об изготовлении машин требуемого качества в установленном производственной программой количестве и в заданные сроки при наименьших затратах труда и наименьшей себестоимости.

Технология машиностроения как наука прошла в своем развитии через несколько этапов.

1 этап развития.

До 1929-1930г. характеризуется накоплением отечественного и зарубежного производственного опыта изготовления машин. В этот период издаются первые нормативные материалы проектных организаций.

2 этап.

1930-1941гг. продолжается дальнейшее накопление производственного опыта с обобщением и систематизацией его разрабатываются общие научные принципы технологических процессов, появляются труды наших соотечественников. Авторы; А.П.Соколовский, А.И.Каширин, В.М.Кован и А.Б.Яхтин.

3 этап.

1941-1970гг. Характеризуется интенсивным развитием технологии машиностроения, разработкой новых технологических идей и формированием научных основ технологической дисциплины. В эти годы создается: современная теория точности обработки, находит развитие и широкое использование методы математической статистики и теории вероятностей, в процессах механической обработки и сборки, детально разрабатывается учение о жесткости технологической системы и ее влияние на точность и производительность обработки, разрабатывается теория базирования обрабатываемых заготовок и собираемых узлов, развиваются теоретические и экспериментальные исследования качества обработанной поверхности (шероховатость, наклеп, остаточные напряжения) и их влияние на эксплуатационные свойства деталей машин, начинается разработка проблемы организации поточных и автоматизированных технологических процессов обработки заготовок в серийном производстве, систематизируются и сообщаются материалы по технологии сборки и разрабатываются научные основы.

4 этап.

1970-настоящее время.

Особенности данного этапа являются:

1.Широкое использование достижений фундаментальных и общеинженерных наук для решения теоретических и практических задач технологии машиностроения.

2. Широкое применение вычислительной техники при проектировании технологических процессов и математического моделирования процессов механической обработки.

3. Осуществляется автоматизация программирования процессов обработки на станках с ЧПУ. Создается система автоматизированного проектирования технологических процессов САПТП.

4. Разрабатываются методы активации технологических процессов и создаются системы автоматизированного управления процессов.

5. Ведутся работы по созданию гибких автоматизированных систем.

Технология машиностроения как учебная дисциплина

Имеет ряд особенностей существенно отличающейся от других специальных дисциплин.

1. Технология машиностроения является прикладной наукой.

2. Технология машиностроения базируется на теоретических основах, включающих в себя:

• учение о типизации технологических процессов и групповой обработки;

• учение о жесткости технологической системы (технологическая система включает в себя станок, приспособление, инструмент, деталь);

• учение о точности процессов обработки;

- учение о влиянии механической обработки на состояние металла поверхностных слоев заготовок и эксплуатационные свойства деталей машин;

- учение о припусках на обработку;

- учение о путях повышения производительности и экономичности технологических процессов;

- теория конструкторских и технологических баз и другие теоретические разделы.

3. Технология машиностроения является комплексной инженерной и научной дисциплиной тесно связанной с дисциплинами, как теория резания, металлорежущие станки, инструменты, допуски и технические измерения, материаловедение и ряд других общетехнических наук.

Подготовка производства.

Машина как объект производства

Объектами производства машиностроительной промышленности являются различные машины.

Машина — это механизм или сочетание механизмов, осуществляющих целесообразные движения для преобразования энергии или производства работ.

По назначению машины делятся на:

М ашина

Машины двигатели Машины орудия

(т.е. устройства преобразующие (т.е. устройства для изменения

один вид энергии в другой) форм, свойств и положения

объекта труда)

Определение: Изделие - это предмет или набор предметов производства, подлежащих изготовлению на предприятии.

К изделиям можно отнести: машины, механизмы и установки, их агрегаты или детали в процессе производства на машиностроительном предприятии.

И зделия делятся на

Основное производство Вспомогательное производство (на реализацию) (для нужд основного производства)

Определение: Деталь - это изделие, изготовленное из однородного по наименованию и марке материала без применения сборочных операций (например, валик из одного куска металла и т.п.)

У каждой детали для сборки имеются сопрягающиеся и не сопрягающиеся поверхности. Сопрягающиеся соприкасаются при сборке с другими подобными поверхностями и образуют сопряжения. Причем

С опряжения поверхностей делятся на:.

О сновные базы Вспомогательные базы Функциональными

(замок лопатки) (опора станины передней (ременная передача,

бабки станка) шкив, шлицевое

соединение, цепная передача)

Примером не сопрягающейся функциональной поверхности может служить - отражательная поверхность зеркала). Все остальные поверхности детали являются «свободными» и служат лишь для оформления требуемой конфигурации.

Определение: Базовые детали - это детали с базовыми поверхностями, выполняющие в сборочном соединении (в узле) роль соединительного звена, обеспечивающего при сборке соответствующее относительное положение других деталей.

Определение: Сборочная единица (узел) - это часть изделия, которая собирается отдельно, и в дальнейшем чувствует в процессе сборки как одно целое.

Составные части сборочной единицы на предприятии подлежат соединению (свинчиванием, склеиванием, сваркой и т.п.)

Количество входящих деталей определяют порядок сборочной единицы (узла)

Определение: Комплекс - это два и более специализированных (состоящих из 2^х и более составных частей) изделия, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, но предназначенных для выполнения взаимосвязанных эксплуатационных функций (например: автоматическая линия, цех - автомат и т.п.)

Определение: Комплект - это два и более изделий, не соединенных на предприятии-изготовителе сборочными операциями, и представляющих набор изделий, которые имеют общее эксплуатационное назначение вспомогательного характера (например, комплекты запасных частей, измерительной аппаратуры, упаковочной тары).

Определение: Комплектующее изделие - это изделие предприятия -поставщика, применяемое как составная часть изделия, выпускаемого предприятием - изготовителем. (Составными частями изделия могут быть детали и сборочные единицы (ГОСТ 3.1109 - 82)

Определение: Конструктивная сборочная единица - это единица, спроектированная лишь по функциональному принципу без учета значений условий независимой и самостоятельной сборки. (Пример система газораспределения и системы топливопроводов и маслопроводов двигателей и т.п.)

Определение: Технологическая сборочная единица или узел - это сборочная единица, которая может собираться отдельно от других составных частей изделия и выполнять определенную функцию (пример: станок по составным частям).

Определение: Конструктивно-технологическая сборочная единица - соответствует как условиям функционального назначения, так и самостоятельной независимой сборки (пример: насосы, клапаны, вентили, коробки передач и т.п.)

Конструирование по этому принципу называется агрегатным.

Определение: Агрегат - сборочная единица, обладающая полной взаимозаменяемостью, возможностью сборки отдельно от других составных частей изделия и способность выполнять определенную функцию в изделии или самостоятельно.

Сборка изделия или его составной части из агрегатов называется агрегатной или модульной. Изделие, спроектированное по агрегатному (модульному) принципу, несомненно, имеет лучшие технико-экономические показатели, как в изготовлении, так и в эксплуатации и ремонте; цикл сборки значительно сокращается. Повышается и качество сборки за счет того, что каждая сборочная единица после ее сборки может быть испытана по функциональным параметрам независимо от других сборочных единиц. Значительно улучшаются условия эксплуатации такого изделия, особенно при замене отдельных составных частей. Агрегатная конструкция позволяет ремонтировать каждую составную часть в отдельности, исходя из ее состояния. При этом уменьшается количество изделий, находящихся в резерве.

Каждая сборочная единица включает в себя определенные виды соединений деталей. По возможности относительного перемещения составных частей соединения подразделяются на подвижные и неподвижные.

По сохранению целостности при сборке соединения подразделяются на разъемные и неразъемные. Соединение считается разъемным, если при его разборке сохраняется целостность его составных частей, и неразъемным, если при разборке его составные части повреждаются и их целостность нарушается.

При этом соединения могут быть: неподвижными разъемными (резьбовые, пазовые, конические); неподвижными неразъемными (соединения запрессовкой, развальцовкой, клепкой); подвижными разъемными (подшипники скольжения, плунжеры-втулки, зубья зубчатых колес, каретки-станины); подвижными неразъемными (подшипники качения, запорные клапаны). Количество разъемных соединений в современных машинах и механизмах составляет 65— 85 % от всех соединений.

Неразъемные соединения в процессе эксплуатации и ремонта нередко подвергаются разборке, вызывающей большие затруднения и часто приводящей к порче сопряженных поверхностей (одной или обеих деталей соединения), а также дополнительной пригонке, доработке или замене.

По форме сопрягаемых поверхностей соединения подразделяются на: цилиндрические (до 35—40 % всех соединений), плоские (15—20 %), комбинированные (15—25 %), конические (6—7 %), сферические (2—3 %), винтовые и профильные.

По методу образования соединений они разделяются на резьбовые, клиновые, штифтовые, шпоночные, шлицевые, сварные, паяные, клепаные, клееные, фланговые, прессовые, фальцованные (соединения, полученные с применением совместного загибания их кромок), развальцованные и комбинированные и др.

Важнейшей характеристикой современных машин является их качество. В соответствии с ГОСТ 15467—79 под качеством продукции понимается совокупность свойств, обусловливающих ее пригодность удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением.

Качество каждой машины характеризуется определенной системой показателей, учитывающих ее назначение и регламентируемых ГОСТ 15895—77, ГОСТ 16035—81, ГОСТ 16504-81 и др. При этом степень совершенства машины, выражающаяся ее мощностью, КПД, производительностью и экономичностью, степенью автоматизации и точностью работы и некоторыми другими показателями, определяет общий технический уровень машины.

Для общей оценки качества машины большое значение имеет ее работоспособность, под которой понимается такое состояние изделия, при котором оно способно выполнять заданные функции, сохраняя значения заданных параметров в пределах установленных нормативно-технической документацией. В связи с этим одной из основных характеристик современных машин является их надежность.

Надежность — это свойство изделия сохранять во времени свою работоспособность (ГОСТ 13377—75).

Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособности изделия. Время работы изделия до отказа, выраженное в часах, называется наработкой до отказа и по своему существу является случайной величиной,

Срок службы изделия, определяемый его наработкой до достижения предельного регламентированного состояния (предельный износ и т. п.), называется ресурсом.

Ресурс в отработанных часах или допустимый срок службы изделия (в календарных часах), в отличие от наработки до отказа, является неслучайной, детерминированной величиной (регламентированное время работы изделия, определяющее его долговечность).

Надежность изделия — это обобщенное свойство, которое включает в себя понятия безотказности и долговечности.

Безотказность - это свойство изделия непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторого периода времени или некоторой наработки. При этом предполагается самостоятельная непрерывная работа изделия без каких-либо вмешательств для поддержания работоспособности (т. е. без регулировки и ремонта).

Долговечность — это свойство изделия сохранять работоспособность до наступления предельного состояния, т. е. в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.

Кроме эксплуатационных показателей качество машины характеризуется экономичностью их эксплуатации, изготовления и ремонта и системой производственно-технологических показателей, перечисленных ниже.

Трудоемкость определяется продолжительностью изготовления изделия при нормальной интенсивности труда в часах.

Станкоемкость характеризуется продолжительностью времени, в течение которого должны быть заняты станки или другое оборудование для изготовления всех деталей изделия. Единицей измерения станкоемкости обычно является станко-час.

Производственный цикл — интервал календарного времени от начала до окончания процесса изготовления или ремонта изделия, а также ряд других показателей организационно-технического характера.

Конструктивная преемственность изделия — это свойство изделия, определяющее возможность использования в нем деталей и сборочных единиц, применяемых или применявшихся в других изделиях.

Технологическая преемственность изделия — это свойство изделия, определяющее возможность использования применяемых на предприятии технологических процессов, отдельных технологических операций и средств технологического оснащения для его изготовления или ремонта.

Изготовление современных машин и приборов требует четкой организации всего производственного процесса при тщательной технологической подготовке производства.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОДГОТОВКА ПРОИЗВОДСТВА

Производственный процесс представляет собой совокупность всех действий людей и орудий производства, необходимых на данном предприятии для изготовления или ремонта выпускаемых изделий.

Для выполнения производственного процесса необходимо осуществить следующие действия:

-изготовление и сборка продукции;

-контроль ее качества;

-транспортировка и хранений заготовок и изделий на всем этапе производства;

-организационные мероприятия по снабжению и обслуживанию рабочих мест и производственных участков;

-управление всеми этапами и звеньями производства;

-работы по технической подготовке производства.

Техническая подготовка производства.

Этот процесс включает в себя следующее:

1. Конструкторскую подготовку производства (разработку конструкции изделия и создание чертежей общей сборки изделия сборочных элементов и отдельных деталей изделий, запускаемых в производство с оформлением соответствующих спецификаций и других видов конструкторской документации).

2. Технологическую подготовку производства, т.е. совокупность взаимосвязанных процессов, обеспечивающих технологическую готовность предприятий (или предприятия) к выпуску изделий заданного уровня качества при установленных сроках, объеме выпуска и затратах. К технологической подготовке производства относятся:

- обеспечение технологичности конструкции изделия,

• разработка технологических процессов,

• проектирование и изготовление средств технологического оснащения,

- управление процессом технологической подготовки производства.

3. Календарное планирование производственного процесса изготовления изделия в установленные сроки, в необходимых объемах выпуска и затратах.

Ответственной и трудоемкой частью технической подготовки производства является технологическое проектирование, трудоемкость которого составляет 30—40 % от общей трудоемкости технической подготовки в условиях мелкосерийного производства, 40—50 % при серийном и 50—60 % при массовом производстве.

Рост трудоемкости проектирования технологических процессов с увеличением выпуска продукции объясняется тем, что в крупносерийном и массовом производстве разработка процессов производится более тщательно, чем в серийном (увеличивается по общему объему, усложняется технологическая оснастка, подробнее разрабатывается документация).

Трудоемкость технологического проектирования в большинстве случаев заметно превосходит трудоемкость конструирования машин.

Технологический процесс и его структура.

Технологический процесс—это часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и (или) определению состояния предмета труда.

Для успешной разработки технологического процесса необходимо осуществить следующие мероприятия (ГОСТ 14.301—83);

1. - анализ исходных данных для разработки технологического процесса;

2. - подбор действующего типового, группового технологического процесса или поиск аналога единичного процесса;

3. - выбор исходной заготовки и методов ее изготовления;

4. - выбор технологических баз;

5. - составление технологического маршрута обработки;

6. - разработку технологических операций;

7 - разработку или уточнение последовательности переходов в операции;

8 - выбор средств технологического оснащения (СТО) операции;

9 - определение потребности СТО, заказ новых СТО, в том числе средств контроля и испытаний;

10 - выбор средств механизации и автоматизации элементов процесса и внутрицеховых средства транспортирования;

11 - назначение и расчет режимов обработки;

12 - нормирование технологического процесса;

13 - определение требований техники безопасности;

14 - расчет экономической эффективности технологического процесса;

15 - оформление технологических процессов.

Для условий машиностроительного производства можно сформулировать уточненное определение технологического процесса - это часть производственного прогресса, включающая в себя последовательное изменение размеров, формы, внешнего вида или внутренних свойств предмета производства и их контроль.

Технологические процессы строятся по отдельным методам их выполнения:

• процессы механической обработки,

• сборки,

• литья,

• термической обработки,

• покрытий и т. п.

Технологическая операция

Технологическая операция — это законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте (ГОСТ 3.1109—82). Применительно к условиям механосборочного производства стандартизированное определение операции можно представить в следующем виде: технологическая операция — это часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на одном рабочем месте, над одним или несколькими одновременно обрабатываемыми или собираемыми изделиями, одним или несколькими рабочими.

Условие непрерывности операции означает выполнение предусмотренной ею работы без перехода к обработке другого изделия.

Например, обработка ступенчатого валика в центрах на токарном станке представляет собой одну технологическую операцию, если ее выполняют в такой последовательности:

• устанавливают заготовку в центрах,

• обтачивают валик с одного конца,

• снимают заготовку,

- переустанавливают хомутик и вторично устанавливают заготовку в центрах,

- обтачивают валик с другого конца.

Аналогичную по содержанию работу над валиком можно выполнить и за две операции:

1)закрепить хомутик, установить заготовку в центрах, обточить с одного конца и снять хомутик;

2) закрепить хомутик на другом конце заготовки, установить ее в центрах и обточить с другого конца, если вторичная установка и обработка второго конца валика последует не сразу после обработки первого конца, а с перерывом для обработки других заготовок партии (т. е. сначала все заготовки обрабатываются с одного конца, а потом все — с другого).

Приведенный пример показывает, что состав операции устанавливают не только на основе чисто технологических соображений, но и с учетом организационной целесообразности.

Технологическая операция является основной единицей производственного планирования и учета. На основе операций определяется:

- трудоемкость изготовления изделий и устанавливаются нормы времени и расценки;

• задается требующееся количество рабочих, оборудования, приспособлений и инструментов;

• определяется себестоимость обработки;

- производится календарное планирование производства и осуществляется контроль качества и сроков выполнения работ.

В условиях автоматизированного производства под операцией понимается законченная часть технологического процесса, выполняемая непрерывно на автоматической линии, которая состоит из нескольких станков, связанных автоматически действующими транспортно-загрузочными устройствами.

В условиях гибкого автоматизированного производства непрерывность выполнения операции может нарушаться направлением обрабатываемых заготовок на промежуточный склад в периоды между отдельными позициями, выполняемыми на разных технологических модулях.

Кроме технологических операций в состав технологического процесса в ряде случаев (например, в поточном производстве и особенно при обработке на автоматических линиях и в гибких технологических комплексах) включаются вспомогательные операции (транспортные, контрольные, маркировочные, по удалению стружки и т. п.), не изменяющие размеров, формы, внешнего вида или свойств обрабатываемого изделия, но необходимые для осуществления технологических операций.

Установ представляет собой часть технологической операции, выполняемую при неизменном закреплении обрабатываемых заготовок или собираемой сборочной единицы.

Позиция — фиксированное положение, занимаемое неизменно закрепленной обрабатываемой заготовкой или собираемой сборочной единицей совместно с приспособлением относительно инструмента или неподвижной части оборудования, для выполнения определенной части операции.

Технологический переход — законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого инструмента и поверхностей, образуемых обработкой или соединяемых при сборке.

Применительно к условиям механической обработки определение перехода можно уточнить следующей формулировкой: технологический переход представляет собой законченную часть технологической операции, выполняемую над одной или несколькими поверхностями заготовки, одним или несколькими одновременно работающими инструментами без изменения или при автоматическом изменении режимов работы станка.

Вспомогательный переход — законченная часть технологической операции, состоящая из действий человека и (или) оборудования, которые не сопровождаются изменением формы, размеров и шероховатости поверхностей предмета труда, но необходимы для выполнения технологического перехода. Примерами вспомогательных переходов являются: установка заготовки, смена инструмента и т. д.

Рабочий ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, сопровождаемого изменением формы, размеров, качества поверхности и свойств заготовки. Понятие рабочего хода соответствует применявшемуся ранее в технологической практике понятию перехода, который рассматривался как простейший переход, заключающийся в снятии одного слоя металла.

Вспомогательный ход — это законченная часть технологического перехода, состоящая из однократного перемещения инструмента относительно заготовки, не сопровождаемого изменением формы, качества поверхности или свойств заготовки, но необходимого для подготовки рабочего хода.

Прием — это законченная совокупность действий человека, применяемых при выполнении перехода или его части и объединенных одним целевым назначением.

Технологическая характеристика различных типов производства

Одним из основных принципов построения технологических процессов является принцип совмещения технических, экономических и организационных задач, решаемых в данных производственных условиях. Проектируемый технологический процесс безусловно должен обеспечить выполнение всех требований к точности и качеству изделия, предусмотренных чертежом и техническими условиями, при наименьших затратах труда и минимальной себестоимости, а также при изготовлении изделий в количествах и в сроки, установленные производственной программой.

В соответствии ГОСТ 14.004—83, в зависимости от широты номенклатуры, регулярности, стабильности и объема выпуска изделий, современное производство подразделяется на различные типы: единичное, серийное и массовое.

Единичное производство характеризуется широтой номенклатуры изготовляемых или ремонтируемых изделий и малым объемом выпуска изделий (под объемом выпуска подразумевается количество изделий определенных наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых иди ремонтируемых объединением, предприятием или его подразделением в течение планируемого интервала времени).

Ниже перечислены основные признаки, характеризующие единичное производство:

1. количество выпускаемых изделий и размеры операционных партий заготовок - исчисляется штуками и десятками штук;

2. характер действий на рабочих местах - разнообразные технологические операции нерегулярные или не повторяющиеся совсем;

3. характер оборудования - универсальное точное оборудование (в цехах располагается по технологическим группам: токарные; фрезерные; сверлильные; шлифовальные и т.д.);

4. специальные приспособления и оснастка практически отсутствует;

4. в качестве исходных заготовок чаще всего используют простейшие (поковки, горячий прокат, литье в землю), характеризующиеся малой точностью и большими припусками на обработку;

4. основным методом достижения точности - метод пробных ходов и промеров по имеющейся разметке;

5. взаимозаменяемость отдельных узлов и деталей практически отсутствует и ограничивается рамками стандартных деталей (резьбы, подшипниках, шпонки и штифты и т.п.);

6. взаимное функционирование и расположение отдельных узлов определяется пригонкой по месту;

7. квалификация рабочих - очень высокая;

10. техническая документация - упрощенная;

11. техническое нормирование отсутствует, используется опытно статистическое нормирование труда.

Массовое производство характеризуется узкой номенклатурой и большим объемом выпуска изделий, непрерывно изготовляемых или ремонтируемых в течение продолжительного времени.

Массовое производство имеет следующие отличительные признаки:

1. Количество выпускаемых изделий - тысячи и десятки тысяч штук.

1. Характер действия на рабочих местах, определяется коэффициентом закрепления операций (ГОСТ 3.1108 - 74) равным единице, т.е. на каждом рабочем месте закрепляется выполнение одной постоянно повторяющейся операции.

2. Характер оборудования специальные высокопроизводительное оборудование, расставленное по поточному принципу (т.е. по ходу технологического процесса) и часто связанное транспортными устройствами и конвейерами, оснащенными промежуточными постами автоматического контроля, и промежуточными складами (технологическими накопителями заготовок), снабженными автоматическими перегружателями (роботами и манипуляторами).

Используется оборудование сложное высокопроизводительное такое, например, как многошпиндельные автоматы и полуавтоматы, станки с ЧПУ и обрабатывающие центры, а так же широко применяются автоматические линии и автоматизированные производственные системы.

4. Технологическая оснастка - специальная высокопроизводительная; режущий инструмент сверхтвердые синтетические материалы, минералокерамика, алмазный инструмент и т.п.

5. Исходные заготовки характеризуются индивидуальностью и точностью изготовления с наименьшими припусками на механическую обработку (литье под давлением, точное литье, горячая объемная штамповка и прессовка, калибровка и чеканка и т.п.)

6. Точность на рабочих местах обеспечивается - методами автоматического получения размеров на настроенных станках.

7) Обеспечивается полная взаимозаменяемость и собираемость узлов, однако в исключительных случаях имеет место селективная сборка, обеспечивающая групповую взаимозаменяемость.

8. Квалификация рабочих двояка - сравнительно низкая квалификация (по сравнению с единичным производством) операторов станков, (станочников), но зато очень высокий профессионализм наладчиков, электронщиков и специалистов по пневмогидроавтоматике;

9. Техническая документация тщательно разрабатывается и детально оформляется в виде технологических маршрутов.

10) Техническое нормирование основывается на многоуровневых расчетах по определенным методикам, а затем подвергается экспериментальной проверке.

Серийное производство характеризуется ограниченной номенклатурой изделий, изготовляемых или ремонтируемых периодически повторяющимися партиями и сравнительно большим объемом выпуска.

Определение: Производственная партия - это группа заготовок одного наименования и типоразмера, запускаемых в обработку одновременно или непрерывно в течение определенного интервала времени.

1) Количество изделий в партии или серии определяет значение коэффициента закрепления операций (к.з.о.) при этом различают мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное производство.

Определение: Объем серии - это общее количество изделий определенного наименования, типоразмера и исполнения, изготовляемых или ремонтируемых по неизменяемой конструкторской документации.

Определение: К.З.О. - это определяется отношением числа всех различных Т.О.(технологических операций), выполненных или подлежащих выполнению в течении месяца, к числу рабочих мест.

Например, по ГОСТ 3.1108 - 74 к.з.о. составляет: для мелкосерийного производства 20 ... 40 включительно; для серийного - 10 ... 20; для крупносерийного 1 ... 10.

Серийное производство является основным типом современного машиностроительного производства и в общей доле составляет 75 ... 80%. По всем характерным признакам, определяющим тип производства серийное производство занимает промежуточное положение между единичным и массовым:

1. Объем выпуска от десятка, сотен изделий до тысячи;

2. Используется как универсальное, так и специализированное и частично специальное оборудование. Используются так же станки с ЧПУ, обрабатывающие центры и гибкие автоматизированные системы (ГПС). Расстановка оборудования осуществляется по технологическим группам с учетом грузовых потоков;

3. Оснастка чаще всего используется универсальная, но если целесообразно с точки зрения экономических расчетов, то высокопроизводительная специально изготовленная (например, в условиях крупносерийного производства);

4. В качестве заготовок могут применяться прокат (горячий и холодный), литье в землю и под давлением, точное литье, разные поковки и точные штамповки ил прессовки. Способ получения или применения той или иной заготовки определяется экономической целесообразностью;

5. Точность достигается, как методом пробных ходов и промеров по разметке (единичное производство) так и автоматически на предварительно настроенном оборудовании;

6. Квалификация рабочих неоднозначна, и определяется оборудованием и разновидностью типа серийного производства. Например, уникальные станки, высококвалифицированные рабочие; производственные линии - высокая квалификация наладчиков, и низкий разряд у рабочих;

7. Взаимозаменяемость так же определяется объемом выпуска и конструктивной особенностью изделия. Она может быть полная, неполная, групповая, но чаще всего неточности изготовления компенсируется пригонкой по месту при сборке;

8. Технологическая документация разрабатывается тщательно только для сложных изделий, при изготовлении менее сложных все упрощается.

9. Тоже самое можно сказать и про нормирование. Например, может применяться расчетные методики с тщательной проверкой их на практике иле же опытно-статическое нормирование простейших заготовок.

При определении серийности производства необходимо помимо размеров партий выпускаемых изделий учитывать также конструктивные особенности (требования качества, вес, материал и т.п.).

МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ РАЗМЕРОВ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ

В соответствии с требованиями чертежа необходимо получать соответствующие размеры детали, форму поверхностей, взаимное расположение поверхностей и шероховатость поверхности.

Для этого применяют 2 основных метода:

1. Метод пробных ходов и промеров;

2. Метод автоматического получения размеров на настроенных станках.

Суть метода пробных ходов и промеров заключается в том, что к обрабатываемой поверхности заготовки установленной на станке, подводят режущий инструмент и с короткого участка снимают пробную стружку. Затем станок останавливают, делают пробный замер полученного размера, определяют величину его отклонения от чертежного и вносят поправку в положение инструмента, которую отсчитывают по делениям лимба станка. Затем вновь производят пробную обработку («ход») участка заготовки, новый пробный замер полученного размера и при необходимости вносят новую поправку в положение инструмента. Таким образом, путем пробных ходов и промеров устанавливают правильное положение инструмента относительно заготовки, при котором обеспечивается требуемый размер. После этого выполняют обработку заготовки по всей ее длине. При обработке следующей заготовки всю процедуру установки инструмента пробными ходами и промерами повторяют.

В методе пробных ходов и промеров часто применяют разметку, в этом случае на поверхность исходной заготовки специальными инструментами (чертилками, штангенрейсмусом и др.) наносят тонкие линии, показывающие контур будущей детали, положение центров будущих отверстий или контуры выемок и окон. При последующей обработке рабочий стремится совместить траекторию перемещения режущего лезвия инструмента с линией разметки заготовки и обеспечить тем самым требуемую форму обрабатываемой поверхности.

Метод пробных ходов и промеров имеет следующие достоинства:

1. Возможность получения на неточном оборудовании точной детали (высокая квалификация рабочего);

2. Исключается влияние износа режущего инструмента на точность размеров;

3. Возможность распределения припуска при неточной заготовке (исключение брака). В случае разметки заготовки нет необходимости в изготовлении дорогостоящих и сложных приспособлений.

Вместе с тем метод пробных ходов и промеров имеет ряд серьезных недостатков:

1. Требуется высококвалифицированная рабочая сила;

2. Низкая производительность (затраты времени на пробные ходы, промеры и разметку);

3. Повышенная себестоимость обработки;

4. Возможность брака (по вине рабочего).

В связи с перечисленными недостатками метод пробных промеров и ходов используется, как правило, при единичном или мелкосерийном производстве изделий, в опытном производстве, а также в ремонтных и инструментальных цехах.

При серийном производстве этот метод находит применение для получения годных деталей из неполноценных исходных заготовок («спасение» брака по литью и штамповке).

В условиях крупносерийного и массового производства метод пробных ходов и промеров используется при шлифовании, так как позволяет без труда компенсировать износ абразивных инструментов, часто протекающий неравномерно и вызывающий потерю точности обработки.

Метод автоматического получения размеров на настроенных станках

При обработке заготовок по методу автоматического получения размеров станок предварительно настраивается таким образом, чтобы требуемая от заготовок точность достигалась автоматически, т.е. почти независимо от квалификации и внимания рабочего.

Рис. 1. Обработка заготовок по методу автоматического получения размеров.

При фрезеровании заготовки 2 на размеры a и b, стол фрезерного станка предварительно устанавливают по высоте таким образом, чтобы опорная поверхность неподвижной губки 1 тисков отстояла от оси вращения фрезы на расстоянии K = Dфр/2 + a. При этом боковую поверхность фрезы 3 удаляют (поперечным перемещением стола) от вертикальной поверхности неподвижной губки на расстояние b. Эту предварительную настройку станка производят по методу пробных ходов и промеров.

Так как в процессе обработки размеры K и b остаются неизменными, то и точность размеров a и b обрабатываемой заготовки сохраняется одинаковой для всех заготовок, обработанных с данной настойкой станка.

Следовательно, при использовании метода автоматического получения размеров на настроенных станках задача обеспечения требуемой точности обработки переносится с рабочего-оператора на настройщика, выполняющего предварительную настойку станка; на инструментальщика, изготовляющего специальные приспособления, и на технолога, назначающего технологические базы и размеры заготовки, а также определяющего метод ее установки и крепления и конструкцию необходимого приспособления.

К преимуществам метода автоматического получения размеров относятся:

1. Повышение точности обработки и снижение брака;

2. Рост производительности обработки за счет устранения потерь времени на предварительную разметку заготовки и осуществление пробных ходов и промеров;

3. Снижение требований квалификации рабочих;

4. Более высокая производительность обработки в сравнении с предыдущем методом, снижение себестоимости.

5. Практически исключен брак.

Недостатки:

1. Затраты времени на предварительную настройку станка.

2. Необходимость в получении однородной и точной заготовки;

3. Необходимость более тщательной подготовки производства (регламентация технологического процесса).

Область применения: серийное, крупносерийное и массовое производство.

СИСТЕМАТИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ.

Систематическая погрешность — это такая погрешность, которая для всех заготовок рассматриваемой партии остается постоянного или же закономерно изменяется при переходе от каждой обрабатываемой заготовки к следующей.

Принято обозначать:

сист. - постоянная систематическая погрешность

п.с. - переменная систематическая погрешность

Причинами, возникновения систематических и переменных систематических погрешностей обработки заготовок являются:

1. неточность, износ и деформация станков, приспособлений и инструментов;

2. деформация обрабатываемых заготовок; тепловые явления, происходящие в технологической системе и в смазочно-охлаждающей жидкости,

1. погрешности теоретической схемы обработки заготовки.

Погрешности, возникающие вследствие неточности, износа и деформации

станков

При изготовлении станков нормальной точности допускается:

- радиальное биение шпинделей токарных и фрезерных станков (0,01-0,015)

- торцевое (осевое) биение - (0,01-0,02)

- прямолинейность продольных направляющих и столов фрезерных станков на длине 1000 мм - (0,03-0,04)

- перпендикулярность осей шпинделя вертикально-сверлильных станков относительно плоскости стола на длине 300 мм - (0,06-0,1)

Погрешности геометрической точности станков полностью или частично переносятся на обрабатываемые заготовки в виде систематических погрешностей.

Погрешность связанная с износом станка.

Например, направляющие токарного станка:

1. треугольная.

2. плоская направляющая, в 5 раз изнашивается меньше, чем треугольная.

Одной из важных причин потери точности станков является износ их направляющих. За год эксплуатации токарных станков при двухсменной работе в условиях единичного и серийного производства при среднем диаметре обрабатываемых заготовок 100 мм и их длине 150-200 мм износ U (мм) передней от рабочего грани несимметричной треугольной направляющей в среднем составил:

При чистовой обработке 0,04-0,05

При частично чистовой и частично обдирочной

обработке стали (80 %) и чугуна (20 %) 0,06-0,08

При обдирке стали (90%) и чугуна (10%) 0,10-0,12

Износ второй (плоской) направляющей при этом оказался в пять раз меньше. Износ направляющих по длине также не является равномерным. У обследованных станков участок наибольшего износа направляющих находился на расстоянии 400 мм от торца шпинделя. Износ приводит к тому, что смещается или наклоняется суппорт станка. В этом случае имеет место переменная систематическая погрешность.

Деформации станков при их неправильном монтаже, а также под действием массы при оседании фундаментов (искривление станин и столов, извернутость направляющих) вызывают дополнительные систематические погрешности обработки заготовок. При длине направляющих 8 - 11 м, отклонение от прямолинейности достигает 3 - мм (по нормам точность 0,08 мм) постоянная систематическая погрешность.

ПОГРЕШНОСТИ, СВЯЗАННЫЕ С НЕТОЧНОСТЬЮ И ИЗНОСОМ

РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Неточность режущего инструмента (особенно мерного инструмента типа разверток, зенкеров, протяжек, концевых пазовых фрез и фасонного инструмента) во многих случаях непосредственно переносится на обрабатываемые заготовки, обусловливая появление систематических погрешностей формы и размеров обрабатываемых поверхностей.

Рис. 2 Зависимость износа инструмента U от длины пути резания

Погрешность связанная с износом режущего инструмента приводит к возникновению переменной систематической погрешности.

В соответствии с общими закономерностями износа при трении скольжения в начальный период работы инструмента, называемый периодом начального износа (участок I на рис. 2), износ наиболее интенсивен. В период начального износа происходит приработка режущего лезвия инструмента, сопровождающаяся выкрашиванием отдельных неровностей и заглаживанием штрихов — следов заточки режущих граней. В этот период шероховатость обработанной поверхности обычно постепенно уменьшается. Начальный износ U_н и его продолжительность L_h (т. е. продолжительность приработки инструмента) зависят от материалов режущего инструмента и изделия, качества заточки, а также от доводки инструмента и режимов резания.

Второй период износа (участок II) характеризуется нормальным износом инструмента, прямо пропорциональным пути резания. Интенсивность этого периода износа принято оценивать относительным (удельным) износом Uo (мкм/км), определяемым формулой U_o = U/L, где U — размерный износ в микрометрах на пути резания L; L — путь резания в зоне нормального износа в километрах.

Третий период износа (участок III) соответствует наиболее интенсивному катастрофическому износу, сопровождающемуся значительным выкрашиванием и поломками инструмента, недопустимыми при нормальной эксплуатации инструмента.

Расчет износа режущего инструмента, влияющего на точность обработки, применительно к условиям нормального износа, протекающего в зоне II, обычно производят по формуле

U = UoL/1000

где U - размерный износ режущего инструмента, мкм; L - длина пути резания, м.

Применительно к точению длина пути резания

L = Dl/ ( 1000s)

где D - диаметр обрабатываемой заготовки, мм; l - длина обрабатываемой заготовки (длина обработки), мм; s - подача, мм/об.

При торцевом фрезеровании длину L пути резания можно приближенно определить по формулам:

;

где l - длина хода, мм; В - ширина фрезеруемой площадки, мм; So - подача фрезы, мм/об; z - число зубьев фрезы; Sz - подача фрезы, мм/зуб.

При фрезеровании износ режущего инструмента происходит интенсивнее, чем при точении, в связи с неблагоприятными условиями работы инструмента, многократно врезающегося в обрабатываемую заготовку, Относительный износ U_офр инструмента при фрезеровании больше относительного износа Uo, применительно к условиям точения, т. е.

U_Офр =(1 + 100/ B)Uo

Величина 100/В учитывает число врезаний зуба фрезы при фрезеровании заготовки шириной В.

Для того чтобы, учесть начальный износ инструмента, принято расчетную длину L пути резания, увеличивать на некоторую дополнительную величину L_доп. В этом случае получается вид

U = Uo(L + L_доп)/1000

Для доведенных инструментов дополнительный путь резания L_доп = 500 м, для заточенных — L_доп ⁼ 1500 м и в среднем L_доп = 1000м.

Относительный (удельный) износ U_o режущего инструмента зависит от материала режущего инструмента и режима резания, материала обрабатываемого изделия и жесткости технологической системы станок — приспособление — заготовка— инструмент.

При повышении жесткости технологической системы, способствующем уменьшению вибраций, износ режущего инструмента заметно снижается.

Относительный износ резцов при растачивании жаропрочных материалов в 1,5— 6 раз больше относительного износа резцов при наружном обтачивании тех же материалов, что объясняется менее благоприятными условиями резания при обработке отверстий.

В связи с тем, что общий размерный износ инструмента обратно пропорционален подаче, в ряде увеличение подачи повышает общую размерную стойкость инструмента и при достаточной жесткости технологической системы повышает точность обработки. Применение широких резцов и других инструментов с выглаживающими фасками, позволяющих повысить подачу, способствует росту точности обработки при одновременном повышении ее производительности.

Изменение глубины резания незначительно влияет на относительный износ инструмента.

Заметное влияние на относительный износ оказывает задний угол резца.

Это объясняется ослаблением режущей кромки и ухудшением условий отвода теплоты.

Приведенные расчеты показывают, что погрешность размеров и формы обрабатываемых заготовок может быть существенно понижена путем рационального назначения материала и конструкции режущего инструмента и соответствующих режимов резания.

ВЛИЯНИЕ УСИЛИЯ ЗАЖИМА ЗАГОТОВКИ НА ПОГРЕШНОСТЬ ОБРАБОТКИ

Усилия зажима (закрепления) заготовок в приспособлениях, так же как и усилия резания, вызывают упругие деформации заготовок, порождающие погрешности формы обработанных заготовок, При постоянстве размеров заготовок и усилий зажима вызываемые ими погрешности формы деталей являются систематическими и могут быть вычислены по соответствующим формулам.

При закреплении втулки в патроне происходит ее упругая деформация (рис. 2,4, а, б), причем в местах A приложения кулачков радиус заготовки уменьшается, а в точках B увеличивается.

Рис. 2.4 Схема возникновения погрешности формы отверстия тонкостенной втулки: а — упругая деформация втулки при закреплении в трехкулачковом патроне; б — форма отверстия после расточки; в — форма отверстия после раскрепления втулки

Погрешность геометрической формы обрабатываемого отверстия втулки определяется разностью наибольшего и наименьшего радиусов (рис. 2.4, в).

Погрешность А формы отверстия втулки при ее закреплении в трехкулачковом патроне весьма велика. Например, для втулки 80x70x20 мм при величине усилия зажима на рукоятке ключа Q = 147 Н (Q = 15 кгс) погрешность формы отверстия достигает 0,08 мм.

Погрешность формы обрабатываемой заготовки, связанная с ее упругой деформацией при закреплении в кулачковых патронах, зависит от числа кулачков, при увеличении числа зажимных кулачков погрешность геометрической формы втулки заметно уменьшается. Например, если погрешность геометрической формы тонкостенной втулки после обработки с зажимом в двух кулачках принять за 100 %, то при зажиме в трех кулачках она составит 21 %, в четырех кулачках —8 %, в шести кулачках — 2 %.

При форме кулачков, соответствующей форме заготовки, и наиболее полном прилегании зажимных поверхностей кулачков к поверхности заготовки погрешность геометрической формы втулки также снижается.

Таким образом, на погрешности формы обрабатываемых заготовок большое влияние оказывают усилия их зажима в приспособлениях. Вместе с тем в определенных условиях существенными причинами возникновения погрешностей обрабатываемых заготовок могут явиться силы тяжести (деформации заготовок под действием собственной массы), центробежные силы (деформации неуравновешенных масс отдельных частей заготовок в момент их обработки) и остаточные напряжения заготовки.

ПОГРЕШНОСТИ, ОБУСЛОВЛЕННЫЕ УПРУГИМИ ДЕФОРМАЦИЯМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ПОД ВЛИЯНИЕМ НАГРЕВА

При непрерывной работе станка происходит постепенное нагревание всех элементов технологической системы, вызывающее появление переменной систематической погрешности обработки заготовок.

Тепловые деформации станков. Основными причинами нагревания станков и их отдельных частей (шпиндельных бабок, столов, станин и др.) являются потери на трение в подвижных механизмах станков (подшипниках, зубчатых передачах), гидроприводах и электроустройствах, во встроенных электромоторах, а также теплопередача от охлаждающей жидкости, отводящей теплоту из зоны резания, и нагревание от внешних источников (местное нагревание от близко расположенных батарей, солнечных лучей, охлаждение через фундамент).

Важное влияние на точность обработки оказывает нагревание шпиндельных бабок. При работе станка происходят постепенное разогревание шпиндельных бабок и их смещение в вертикальном и горизонтальном (на рабочего) направлениях. При этом температура в различных точках корпуса бабки изменяется от 10 до 50 °С. Наибольшая температура нагрева наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстроходных валов, температура которых обычно на 30—40 % выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы.

На рис. 2.5 показано горизонтальное смещение оси передней бабки токарного станка при работе в центрах. В первый период работы станка после его запуска нагревание вызывает смещение шпинделя на рабочего, что приводит к непрерывному изменению размеров и формы обрабатываемых заготовок (при обработке крупных валов), т. е. к появлению переменной систематической погрешности. Очевидно, что переменная систематическая погрешность равняется удвоенному горизонтальному смещению оси передней бабки.

Продолжительность нагревания передней бабки, сопровождающегося смещением оси шпинделя, составляет 3—5 ч (после чего температура нагрева и положение оси стабилизируются).

При остановке станка происходят его медленное охлаждение и обратное перемещение оси шпинделя.

Для устранения погрешности обработки, связанной с тепловыми деформациями станка, производят предварительный прогрев станка его обкаткой вхолостую в течение 2—3 ч. Последующую обработку заготовок следует проводить без значительных перерывов в работе станка.

Тепловые деформации инструмента. Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в режущий инструмент, вызывая его нагревание и изменение размеров. При токарной обработке наибольшая часть погрешности, связанной с тепловыми деформациями технологической системы, обусловлена удлинением резцов при их нагревании.

При точении легированной стали с _в = 1080МПа (110 кгс/мм²) резцами, снабженными пластинками Т15К6, с вылетом 40 мм и сечением 20x30 мм тепловое равновесие, при котором прекращается удлинение резца, наступает примерно через 20—24 мин непрерывной работы. В процессе обработки мягкой стали тепловое равновесие резца устанавливается через 12 мин непрерывной работы. При повышении скорости резания, глубины резания и подачи, увеличивается удлинение резца. Большое влияние на удлинение оказывает вылет резца. Например, при уменьшении вылета резца с 40 до 20 мм удлинение сократилось с 28 до 18 мкм. Удлинение резца приблизительно обратно пропорционально площади поперечного сечения его стержня. С увеличением толщины пластинки твердого сплава удлинение резца уменьшается.

Нагревание и удлинение резцов прямо пропорционально твердости обрабатываемого материала. В обычных условиях работы без охлаждения удлинение резца может достигать 30—50 мкм. При создании обильного охлаждения удлинение резцов уменьшается в 3—3,5 раза.

Удлинение lp (мкм) резца в условиях теплового равновесия можно приближенно подсчитать по формуле

lp = C(lp/F)_B(t s)^0,75√V, (2.6)

где С — постоянная (при V= 100-200 м/мин, t ≤ 1,0 мм, s ≤ 0,2 мм — С = 4,5); 1_Р — вылет резца, мм; F— поперечное сечение резца, мм².

В первый- период работы до наступления теплового равновесия удлинение резца сопровождается непрерывным изменением размеров обрабатываемых заготовок (при небольших габаритах заготовок) или формы поверхностей (при больших размерах заготовок).

При обработке заготовок с перерывами машинного времени Т_маш в момент прекращения резания начинаются охлаждение резца и его укорочение, которые продолжаются до начала следующего периода резания.

При обработке заготовок с перерывами машинного времени тепловые деформации резца, а следовательно, и температурные погрешности обработки заметно уменьшаются.

Общее удлинение '1_Р резца при ритмичной работе с перерывами машинного времени приближенно составляет:

где Т_пер — продолжительность перерыва машинного времени.

При ритмичной работе тепловые деформации заготовок постоянны. При отсутствии ритмичности тепловые деформации отдельных заготовок различны, что приводит к рассеянию размеров заготовок. Нагревание режущих инструментов, при фрезеровании, нарезании зуба и других операциях прерывистой механической обработки, выполняемых с охлаждением, оказывает заметно меньшее влияние на точность обработки, чем нагревание резцов.

Тепловые деформации заготовки. Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в обрабатываемое изделие, вызывая изменение его размеров и появление погрешности обработки. При равномерном нагревании изделия возникает погрешность размеров, а при местных нагревах отдельных участков обрабатываемых изделий — коробление, приводящее к образованию погрешности формы.

Нагревание обрабатываемого изделия зависит от режимов резания. При токарной обработке с увеличением скорости резания и подачи, т. е. с уменьшением продолжительности теплового воздействия на обрабатываемое изделие, его температура понижается.

Например, при повышении скорости резания с 30 до 150 м/мин, неизменной глубине резания (3 мм) и подаче 0,44 мм/об температура заготовки понизилась с 24 до 11 °С. При повышении подачи с 0,11 до 0,44 мм/об, неизменной скорости резания (140 м/мин) и глубине резания 3 мм наблюдалось падение температуры заготовки с 36 до 11 °С.

В случае увеличения глубины резания температура обрабатываемой заготовки возрастает. Так, при изменении глубины резания с 0,75 до 4 мм температура заготовки повысилась с 4 до 11 °С, скорость резания (130 м/мин) и подача (0,2 мм/об) оставались при этом постоянными.

Нагревание обрабатываемых заготовок имеет существенное значение при изготовлении тонкостенных деталей. Во время обработки массивных заготовок влияние их нагревания на точность обработки невелико.

Применение обильного охлаждения значительно уменьшает опасность нагревания заготовок и сокращает погрешность их обработки.

ПОГРЕШНОСТИ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ СХЕМЫ ОБРАБОТКИ

При обработке некоторых сложных профилей фасонных деталей сама схема обработки предполагает определенные допущения и приближенные решения кинематических задач и упрощения конструкции режущих инструментов, вызывающие появление систематических погрешностей обработки (обычно систематических погрешностей формы).

Например, при нарезании зубчатых колес червячными фрезами теоретическая схема операции (качение нарезаемого зубчатого колеса по прямолинейной рейке осевого сечения червячной фрезы) заведомо нарушается наклоном канавки, образующей режущие лезвия фрезы, что ведет к появлению систематической, погрешности эвольвентного профиля зуба. Аналогично возникают погрешности эвольвенты зуба в процессе его строгания долбяками в связи с нарушением правильного профиля последних при образовании переднего угла при заточке.

При нарезании зуба модульными фрезами систематическую погрешность профиля зуба вызывает несоответствие количества нарезаемых зубьев расчетному числу, для которого спроектирована фреза.

При фрезеровании и нарезании резьбы вращающимися резцами (вихревое нарезание) кинематическая схема операции предопределяет появление огранки (волнистости) поверхности резьбы, являющейся систематической погрешностью формы поверхности резьбы.

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ ОБРАБОТКИ

Технологическая система станок – приспособление – заготовка – инструмент представляет собой упругую систему, деформации которой в процессе обработки обуславливают возникновение систематических и случайных погрешностей размеров и геометрической формы обрабатываемых заготовок.

ВЛИЯНИЕ ЖЕСТКОСТИ И ПОДАТЛИВОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ФОРМИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ

При обработке в центрах на токарном станке гладкого вала (рис.3.) в начальный момент, когда резец находится у правого конца вала, вся нормальная составляющая Py усилия резания передается через заготовку на задний центр, пиноль и заднюю бабку станка, вызывая упругую деформацию названных элементов (изгиб заднего центра и пиноли, отжатие y_З-Б корпуса задней бабки) в направлении «от рабочего». Это приводит к увеличению расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки на величину y_з.б. и к соответствующему возрастанию радиуса обработанной заготовки.

Одновременно с этим под действием Py происходит упругое отжатие y_инстр резца и суппорта в направлении «на рабочего», что, в свою очередь, влечет за собой увеличение расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки, а следовательно, и радиуса обработанного изделия. Таким образом, в начальный момент диаметр обработанной поверхности фактически оказывается больше диаметра, установленного при настройке, на величину  = 2 (y_з.б. + y_инстр). При дальнейшем обтачивании и перемещении резца от задней бабки к передней отжатие задней бабки уменьшается, но возникают отжатия передней бабки y_п.б. и обрабатываемой заготовки y_заг., которые также увеличивают фактический диаметр обработки (рис.3) В некотором сечении А-А фактический диаметр обтачиваемой заготовки оказывается равным

Dфакт – фактический диаметр обработанной заготовки с учетом упругих отжатий в технологической системе.

- упругое отжатие задней и передней бабки в сечении А-А.

- упругое отжатие с учетом инструмента и заготовки.

В связи с тем что упругие отжатия элементов станка (кроме отжатия y_инстр суппорта и инструмента) изменяются по длине обработки заготовки, ее диаметр, а следовательно, и форма оказываются переменными по длине. Погрешности размера и формы заготовки в данном случае равняются удвоенной сумме упругих отжатий в технологической системе. Упругие отжатия y определяются действующими в направлении этих отжатий усилиями и жесткостью технологической системы.

Жесткостью j технологической системы называется способность этой системы оказывать сопротивление действию деформирующих ее сил.

Если жесткость элементов станка очень велика, а жесткость обрабатываемой заготовки мала (обточка длинного и тонкого вала на массивном станке), то отжатия y_п.б и y_з.б малы, а y_заг. значительно.

В результате этого форма заготовки становится бочкообразной. Наоборот, при обработке массивной заготовки, дающей минимальный прогиб, на станке малой жесткости (y_п.б и y_з.б значительны) форма заготовки получается корсетообразной с наименьшим диаметром в середине заготовки.

Для вычисления погрешностей обработки, связанных с упругими отжатиями технологической системы, жесткость этой системы должна получить количественное выражение. А.П.Соколовским предложено выражать жесткость j, кН/м (кгс/мм), технологической системы отношением нормальной составляющей Py, кН (кгс), силы резания к суммарному смещению y, м (мм), лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, измеренному в направлении нормали к этой поверхности, т.е.

j = Py/y

Как следует из предыдущего: y = y_ст + y_пр + y_заг + y_инстр

При определении жесткости перемещение всегда измеряется в направлении, перпендикулярном к обрабатываемой поверхности, и в расчет вводится нормальная составляющая усилия Py резания, однако при этом одновременно учитывается влияние на y и остальнях составляющих силы резания (Pz и Px). Исследования показали, что упругое смещение y, рассчитываемое только в условиях действия Py, всегда больше (а, следовательно, численное значение жесткости системы меньше), чем при определении его с учетом одновременного действия составляющих Pz и Px. В связи с этим при экспериментальном определении жесткости технологическую систему следует нагружать системой сил, близкой к эксплуатационной.

Жесткость системы можно также вычислить из уравнения

j = Py/y

где приращения нормальной силы Py и суммарного смещения y выражаются в тех же единицах.

При нахождении жесткости технологической системы по значениям жесткости отдельных ее звеньев, а также при расчете погрешностей обработки, связанных с упругими отжатиями отдельных элементов системы, удобно пользоваться понятием податливости, которая численно равна величине, обратной жесткости.

Податливостью  технологической системы называется способность этой системы упруго деформироваться под действием внешних сил.

Податливость , м/МН (мкм/кгс), можно численно выразить отношением смещения у лезвия инструмента относительно заготовки, измеренного по нормали к обрабатываемой поверхности, к составляющей силы резания, действующей в том же направлении, т. е.

 = y / Py

Как следует из определения,

 = 1/j (3.4)

В связи с тем что сумма деформаций отдельных звеньев упругой системы, приведенных к точке и направлению, принятым при измерении жесткости, равна суммарной деформации системы y = y₁ + y₂ + … +y_n , можно вычислить суммарную податливость системы со по формуле

 = ₁ + ₂ + … +_n

и суммарную жесткость системы j по формуле

В случае обработки заготовки в центрах при положении резца в середине обрабатываемой заготовки жесткость станка можно найти из соотношения

При положении резца на расстоянии х от передней бабки жесткость станка в сечении приложения резца определяется по формуле

Отжатие резца, связанное с его прогибом h под действием силы резания, мало отражается на изменении фактического радиуса r_факт обработки. При прогибе резца в несколько десятых долей миллиметра и при диаметре заготовок в несколько десятков миллиметров радиальное отжатие y_инстр резца измеряется десятитысячными долями миллиметра и практически может не приниматься во внимание.

Отжатие у_заг, зависящее от метода установки заготовок на станке, можно подсчитать по обычным формулам сопротивления материалов. Так, при обтачивании гладкого вала в центрах можно определять величину его прогиба как прогиба балки, свободно лежащей на двух опорах. Наибольший прогиб вала по его середине

y_заг = Py l³/(48EJ)

а прогиб вала в сечении приложения резца, расположенном на расстоянии х от передней бабки,

где l — длина заготовки; Е — модуль упругости; J— момент инерции сечения заготовки (для круглого вала J = 0,05D⁴). При положении резца в середине вала жесткость вала

j_заг. = 48EJ/l³

а при положении резца на расстоянии х от передней бабки станка

j_заг. = 3EJl/[x²(l-x)²]

Для гладкого вала, консольно закрепленного в патроне,

y_заг = Py l³/(3EJ)

j_заг. = 3EJ/l³

а для гладкого вала, закрепленного в патроне и поддерживаемого центром (с учетом податливости заднего центра и упругости крепления в патроне):

y_заг = Py l³/(100EJ)

j_заг. = 100EJ/l³

В результате многочисленных исследований жесткости станков, установлены фактические значения жесткости и податливости различных типоразмеров станков и их отдельных узлов, которые позволяют производить все необходимые расчеты с высокой точностью.

Влияние жесткости и податливости системы на точность размеров и формы обрабатываемых заготовок можно выяснить на основе анализа схемы обработки, приведенной на рис. 3.2.

При настройке станка резец устанавливают в положение, при котором должна осуществляться обточка заготовки на некоторый радиус r_теор. (рис. 3.2, а). Однако в результате упругого отжатия узлов станка у_cm и отжатая заготовки у_заг ось вращения заготовки смещается из положения О₁ в положение О₃, что приводит к увеличению фактического расстояния вершины резца до оси вращения заготовки.

Одновременно в связи с прогибом и отжатием резца (рис. 3.2, б) расстояние его вершины до центра вращения заготовки дополнительно увеличивается на величину у_инстр

Рис. 3.2 Влияние упругих отжатий на размер обрабатываемой заготовки: а — смещение оси заготовки из-за отжатий станка и заготовки; б — смещение вершины резца от центра заготовки в связи с отжатием и прогибом резца

Упругие отжатия в технологической системе приводят к увеличению фактического радиуса обточки заготовки r_факт = r_теор + y_ст + y_заг. + y_инстр. при соответствующем уменьшении фактической глубины резания до величины

t_факт = t_теор - (y_ст + y_заг. + y_инстр.)

Общее увеличение диаметра D обрабатываемого изделия по сравнению с его теоретическим значением, установленным при настройке станка, равно удвоенному приращению фактического радиуса или удвоенному суммарному отжатию технологической системы, т, е.

D = 2(r_факт - r_теор) = 2 (y_ст + y_заг. + y_инстр.) = 2y = 2Py / j

Так как , то

D = 2C_y S^yp  t^xp  HBⁿ (

При постоянной жесткости технологической системы по длине обработки, неизменном режиме обработки и постоянной твердости заготовки приращение диаметра по сравнению с теоретическим его значением сохраняется одинаковым по всей длине заготовки и не вызывает появления погрешности ее формы. Приращение диаметра остается постоянным для всех заготовок партии (систематическая погрешность) и может быть поэтому учтено при настройке станка соответствующим уменьшением настроечного размера.

При обработке заготовок малой жесткости (длинные и тонкие валы) их жесткость, а следовательно, и отжатие изменяются по длине заготовки, что обуславливает появление систематической погрешности формы изделий.

Затупление режущего инструмента в процессе обработки заготовки приводит к приращению размера обрабатываемого изделия не только вследствие размерного износа инструмента, но и в связи со значительным возрастанием нормальной составляющей силы резания. Возникновение на задней поверхности инструмента площадки износа U₃ сопровождается увеличением составляющей Р_у на величину Р_У, пропорциональную ширине U₃ площадки износа.

При обработке стали 2X13 и алюминиевых сплавов приращение нормальной составляющей силы резания в связи с износом резца

Py = K_из U_з

где К_из — коэффициент пропорциональности

При увеличении ширины площадки износа задней поверхности резца до 0,7 - 0,8 мм составляющая Ру возрастает почти вдвое.

При изменении геометрии режущего инструмента вносят дополнительные поправочные коэффициенты

Py = K_из K_ K_y K_rU_з

Рост Ру вследствие затупления инструмента наиболее значителен при удалении больших сечений стружки (особенно при большой глубине резания) и минимален при снятии тонких стружек.

Колебания твердости обрабатываемого материала значительно изменяют нормальную составляющую Ру, при обработке стали Ру находится к квадратичной зависимости от твердости по Бринеллю. Приращение нормальной составляющей Ру при повышении твердости обрабатываемого материала в значительной степени зависит от номинального значения силы резания, а следовательно, и от режимов резания.

Таким образом, при обработке заготовок различной твердости для уменьшения колебаний силы резания, а следовательно, и непостоянства отжатий в технологической системе, что, в конечном счете, приводит к снижению погрешности обработки, чистовые проходы инструментов должны проводиться со снятием минимального сечения стружки.

При различной твердости отдельных заготовок податливость технологической системы порождает рассеяние размеров обработанных заготовок, а при колебании твердости в пределах одной заготовки вызывает погрешности геометрической формы деталей.

Колебания припуска на обработку заготовок, связанные с погрешностью размеров исходной заготовки, при работе на настроенных станках изменяют глубину t резания и приращение D, что приводит к рассеянию размеров детали.

Рис. 3.4. Влияние погрешности формы исходной заготовки на погрешность формы обработанной детали

Погрешности геометрической формы исходной заготовки (рис. 3.4) обусловливают появление одноименных погрешностей формы обработанных заготовок. Погрешность _исх._заг. исходной заготовки определяет приращение t глубины резания на отдельных участках обрабатываемой поверхности, а следовательно, и приращение Ру нормальной составляющей силы резания и дополнительное отжатие y = Py / j, технологической системы в сечении наибольшего диаметра D_{исх.заг} исходной заготовки, которое вызывает соответствующее увеличение диаметра D_{обр.заг.} обработанной заготовки. Погрешность формы обработанной заготовки

Таким образом, погрешность исходной заготовки копируется на обработанной заготовке в виде одноименной погрешности меньшей величины (овальности исходной заготовки соответствует овальность обработанной заготовки, конусности — конусность, биению — биение и т. д.).

Отношение одноименных погрешностей исходной заготовки _исх._заг. и обработанной заготовки _{обр.заг.} принято называть уточнением , которое определяется по формуле

 = _{исх. заг.} / _{обр.заг}

Величина, обратная уточнению k_y = _{обр.заг.} / _{исх. заг.}, носит название коэффициента уменьшения погрешностей.

В связи с тем что в большинстве случаев при обработке заготовок  > 1, a коэффициент уменьшения погрешности k_y < 1, увеличение числа ходов инструмента значительно снижает погрешность заготовки и повышает точность обработки.

В тех случаях, когда  < 1 (при малой жесткости технологической системы), каждый новый ход не только не повышает точность обрабатываемой заготовки, но даже снижает ее. Примером этого может служить обработка на токарных и шлифовальных станках длинных и тонких валов.

Производительность механической обработки находится в непосредственной связи с жесткостью технологической системы.

Основное уравнение жесткости может быть представлено в виде формул:

y = 1/j  Py = 1/j Cp_y t^xp S^yp

или y = Py =  Cp_y t^xp S^yp

Жесткость технологической системы определяет связь между точностью и производительностью обработки.

Податливость  = 1/j выступает в качестве коэффициента пропорциональности между производительностью и погрешностью обработки.

Одним из основных способов повышения точности обработки является уменьшение упругих отжатий технологической системы посредством повышения ее жесткости.

Жесткость технологической системы может быть повышена ниже следующими методами.

1. Созданием жесткой конструкции и изменением размеров элементов технологической системы.

Жесткость станка в значительной степени определяется его конструкцией, типоразмером и состоянием.

Крупные массивные новые станки, как правило, отличаются повышенной жесткостью и обеспечивают высокую точность обработки.

Конструкция и состояние приспособлений и инструментов, в свою очередь, оказывают большое влияние на жесткость технологической системы.

1. Увеличение числа кулачков в зажимных патронах;

2. уменьшение вылетов и увеличение поперечных сечений оправок и державок для крепления заготовки и инструмента;

3. применение зажимных устройств, создающих их плотное соприкосновение с технологическими базами заготовок;

4. повышение жесткости инструмента (особенно сборного) посредством сокращения его вылетов, создания жестких и точных опорных поверхностей под сменные пластинки инструментов;

5. своевременный профилактический ремонт технологической оснастки, устраняющий возникающие зазоры в соединениях, уменьшают податливость технологической системы.

Повышение жесткости закрепления обрабатываемой заготовки путем увеличения размеров базовых поверхностей и мест закрепления заготовок, а также применение дополнительных опор и люнетов повышают общую жесткость технологической системы.

2. Сокращением общего числа звеньев технологической системы. Податливость технологической системы определяется суммой податливостей входящих в нее звеньев, поэтому уменьшение числа звеньев снижает податливость и повышает жесткость системы. Сокращать следует не только число звеньев технологической системы, но и количество отдельных элементов системы (промежуточных приспособлений и державок), а также деталей станков и приспособлений. Уменьшение числа деталей достигается посредством замены нескольких мелких деталей одной сложной и массивной деталью; созданием конструкций станков, у которых корпуса шпиндельных бабок отливаются вместе со станиной, и другими способами.

3. Повышением качества механической обработки деталей (особенно поверхностей стыков).

При соприкосновении отдельных поверхностей деталей во время сборки их контакт происходит не по всей поверхности, а только по отдельным выступам, размеры которых определяются шероховатостью и волнистостью поверхностей.

При увеличении внешней нагрузки происходят деформация соприкасающихся выступов и постепенное нарастание фактической поверхности контакта. Величина сближения двух поверхностей стыков при воздействии определенной внешней нагрузки характеризует жесткость стыков. С уменьшением шероховатости и волнистости поверхностей жесткость стыков возрастает.

Жесткость поверхностей стыков зависит не только от их шероховатости и волнистости, но и от механических свойств материалов соприкасающихся деталей и степени упрочнения (наклепа) металла поверхностных слоев.

Для повышения жесткости стыков целесообразно применять методы обработки пластическим деформированием (накатка роликами и шариками), снижающие шероховатость и значительно увеличивающие микротвердость обработанных поверхностей.

4. Повышением качества сборки.

Жесткость изделий значительно меняется в зависимости от качества сборки, тщательности пригонки сопрягаемых поверхностей, величины зазоров в соединениях и предварительных натягов.

Для получения высокой жесткости машин при их сборке необходимо создать определенные предварительные натяги.

5. Правильным режимом эксплуатации станков. Жесткость элементов технологической системы является переменной величиной, зависящей от ряда факторов (рабочей температуры, количества и состояния смазки, характера приложения нагрузки и др.), связанных с условиями ее эксплуатации.

Для получения наивысшей точности обработки требуются совершенно стабильные условия эксплуатации, при которых жесткость технологической системы остается постоянной и достигает наибольшей величины. С этой целью перед началом точной обработки производят предварительный прогрев всех элементов технологической системы на холостом ходу, обеспечивают непрерывную и равномерную подачу смазки в трущиеся части, постоянство зажимных усилии всех механизмов и узлов системы и др.

6. Систематическим надзором за оборудованием в процессе его эксплуатации с периодической проверкой жесткости всех элементов технологической системы. Жесткость технологической системы (в частности станков) в процессе эксплуатации уменьшается в результате воздействия различных производственных причин, вызывающих износ и разрегулировку элементов системы.

Методы определения жесткости станков до настоящего времени сохранили эмпирический характер, так как многообразие факторов, влияющих на жесткость технологической системы, не позволяет при современном уровне знаний установить ее расчетным путем.

Жесткость станка или отдельного узла обычно определяют при их нагружении статическими силами с помощью специальных динамометров; при этом индикаторными приборами измеряют отжатия узлов станка. Нагружение производится силами, аналогичными по своему направлению силам, действующим на данный узел при эксплуатации станка, однако в расчет жесткости вводятся только силы, нормальные к обрабатываемой поверхности.

При испытании дается ряд нагрузок, возрастающих от нуля до максимума, и по ним строится зависимость у = f (Р_у). Затем производят разгрузку и строят соответствующую разгрузочную кривую.

Жесткость, определенная при нагружении системы статическими силами, дает возможность составить нормативы жесткости для станков разных типоразмеров и отдельных узлов; по этим нормативам можно проводить контроль качества новых станков, а также станков и узлов, выпускаемых из ремонта. Однако данные по статической жесткости недостаточно точны и дают при технологических расчетах заниженные результаты погрешностей обработки. Это объясняется тем, что при определении жесткости на неработающем станке не учитываются толчки и вибрации, которые в действительности увеличивают деформацию системы и снижают ее жесткость.

Более точные значения жесткости, пригодные для расчетов точности обработки, дает производственный метод. На испытуемом станке производят обработку ступенчатой заготовки или заготовки, имеющей биение при токарной обработке. На обрабатываемой поверхности заготовки создается уступ (биение), принимаемый в расчетах за погрешность _{исх.заг.}

После обработки заготовки за один ход на обработанной поверхности тоже возникает уступ (биение), копирующий в уменьшенном виде погрешность исходной заготовки и представляющий собой погрешность _обр. _заг.

По величине уточнения  = _{исх. заг.} / _{обр.заг.}

подсчитывают жесткость станка в динамических условиях (т. е. при его работе) по формуле

где  = Py / Pz

При использовании этого метода следует применять заготовки и инструменты повышенной жесткости, исключающие влияние их отжатия.

Жесткость станков, установленная в статических условиях, обычно в 1,2—1,4 раза больше жесткости, определенной при работе станка производственным методом. При малой жесткости токарных станков соотношение между статической и динамической жесткостью (динамический коэффициент) увеличивается.

Простота и высокая точность производственного метода (особенно если испытания проводят при рабочих режимах) объясняют его широкое распространение. Однако он не может полностью заменить статический метод, полезный для контроля новых станков и отдельных узлов при их изготовлении.

СЛУЧАЙНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ ОБРАБОТКИ

В процессе обработки партии заготовок на настроенных станках их размеры непрерывно колеблются в определенных границах, отличаясь друг от друга и от настроенного размера на величину случайной погрешности.

Случайная погрешность – это такая погрешность, которая для разных заготовок рассматриваемой партии имеет различные значения, причем ее появление не подчиняется никакой видимой закономерности.

В результате возникновения случайных погрешностей происходит рассеяние размеров заготовок, обработанных при одних и тех же условиях. Рассеяние размеров вызывается совокупностью многих причин случайного характера, не поддающихся точному предварительному определению и проявляющих свое действие одновременно и независимо друг от друга. К таким причинам относятся:

1) колебания твердости обрабатываемого материала и величины снимаемого припуска;

2) изменения положения исходной заготовки в приспособлении, связанные с погрешностями ее базирования и закрепления или обусловленные неточностями приспособления;

3) неточности установки положения суппортов по упорам и лимбам;

4) колебания температурного режима обработки и упругих отжатий элементов технологической системы под влиянием нестабильных сил резания и т.п.

Для выявления и анализа закономерностей распределения размеров заготовок при их рассеянии успешно применяются методы математической статистики.

ЗАКОНЫ РАССЕЯНИЯ (РАСПРЕДЕЛЕНИЯ) РАЗМЕРОВ

В результате возникновения случайных погрешностей при обработке партии заготовок на настроенном станке истинный размер каждой заготовки является случайной величиной и может принимать любое значение в границах определенного интервала.

Совокупность значений истинных размеров заготовок, обработанных при неизменных условиях и расположенных в возрастающем порядке с указанием частоты повторения этих размеров или частостей, называется распределением размеров заготовок. Под частостью понимается отношение числа заготовок одного размера к общему числу заготовок партии.

Распределение размеров заготовок можно представить в виде таблиц или графиков. На практике измеренные значения истинных размеров заготовок разбивают на интервалы или разряды таким образом, чтобы цена интервала (разность между наибольшим и наименьшим размерами в пределах одного интервала) была несколько больше цены деления шкалы измерительного устройства. Этим компенсируются погрешности измерения, частость в этом случае представляет собой отношение числа т заготовок, действительные размеры которых попали в данный интервал, к общему количеству п измеренных заготовок партии.

Например, после измерения 100 шт. заготовок с действительными размерами в пределах от 20,00 до 20,35 мм распределение размеров этих заготовок может иметь вид, приведенный в табл. 2.2.

Распределение измеренных размеров таких заготовок можно представить в виде графика (рис. 2.8). По оси абсцисс откладывают интервалы размеров в соответствии с табл. 2.2, а по оси ординат соответствующие им частоты т или частоты т/п. В результате построения получается ступенчатая линия 1, называемая гистограммой распределения. Если последовательно соединить между собой точки, соответствующие середине каждого интервала, то образуется ломаная кривая, которая носит название эмпирической кривой распределения, или полигона 2 распределения. При значительном количестве замеренных заготовок и большом числе интервалов размеров ломаная эмпирическая кривая приближается по форме к плавной кривой, именуемой кривой распределения. Для построения гистограммного распределения рекомендуется измеренные размеры разбивать не менее чем на шесть интервалов при общем числе измеряемых заготовок не меньше 50 шт.

При разных условиях обработки заготовок рассеяние их истинных размеров подчиняется различным математическим законам. В технологии машиностроения большое практическое значение имеют следующие законы: нормального распределения (закон Гаусса), равнобедренного треугольника (закон Симпсона), эксцентриситета (закон Релея), законы равной вероятности и функции распределения, представляющие собой композицию этих законов.

Закон нормального распределения (закон Гаусса). Многочисленные исследования, показали, что распределение действительных размеров заготовок, обработанных на настроенных станках, очень часто подчиняется закону нормального распределения (закону Гаусса).

Это объясняется известным положением теории вероятностей о том, что распределение суммы большого числа взаимно независимых случайных слагаемых величин подчиняется закону нормального распределения Гаусса.

Результирующая погрешность обработки обычно формируется в результате одновременного воздействия большого числа погрешностей, зависящих от станка, приспособления, инструмента и заготовки, которые по существу представляют собой взаимно независимые случайные величины; влияние каждой из них на результирующую погрешность имеет один порядок,, поэтому распределение результрфующей погрешности обработки, а значит, и распределение действительных размеров обрабатываемых заготовок подчиняются закону нормального распределения.

Уравнение кривой нормального распределения имеет следующий

Где  - среднее квадратическое отклонение, определяемое по формуле

Li – текущий действительный размер; Lcp – среднее взвешенное арифметическое значение действительных размеров заготовок данной партии.

Значение Lcp можно определить из выражения

Где m_i – частота (количество заготовок данного интервала размеров); n – количество заготовок в партии.

Кривая, характеризующая дифференциальный закон нормального распределения, показана на рис. 2.9. Среднее арифметическое L_cp действительных размеров заготовок данной партии характеризует положение центра группирования размеров.

Кривая нормального распределения симметрична относительно оси ординат. Значениям х и -х соответствует одинаковая величина ординаты у.

При Li = L_cp кривая имеет максимум, равный

На расстоянии ± от вершины кривая имеет две точки перегиба (точки А и В). Ордината точек перегиба

Кривая асимптотически приближается к оси абсцисс. На расстоянии ±3 от положения вершины кривой ее ветви так близко подходят к оси абсцисс, что в этих пределах оказывается 99,73 % площади, заключенной между всей кривой нормального распределения с осью абсцисс. При практических расчетах обычно принимается, что на расстоянии ±3 от положения вершины кривой нормального распределения ее ветви пересекаются с осью абсцисс, ограничивая 100 % площади между кривой и осью абсцисс. Возникающая при этом допущении погрешность, составляющая 0,27 %, практического значения не имеет.

При увеличении  значение ординаты у_mах уменьшается, а поле рассеяния  = 6 возрастает; в результате этого кривая становится более пологой и низкой, что свидетельствует о большем рассеянии размеров и, следовательно, о меньшей точности. В этом смысле среднее квадратическое отклонение  является мерой рассеяния или мерой точности. Влияние  на форму кривой нормального распределения показано на рис. 2.10.

Рис. 2.11

Смещение вершины кривой распределения относительно середины поля рассеяния 

Фактическое поле рассеяния размеров заготовок  = 6

Практически под влиянием различных причин систематического и случайного характера вершина кривой распределения может смещаться по отношению к середине поля рассеяния в ту или иную сторону, а форма кривой может изменяться; в результате этого фактическая кривая нормального распределения может стать несимметричной. При этом координата центра группирования размеров ЕтА_i определяющая положение центра группирования отклонений относительно номинального размера А_i является математическим ожиданием величины отклонения. Она равняется среднему взвешенному арифметическому значению отклонения и, очевидно, в этом случае не равняется координате середины поля рассеяния Ес_Ai т.е. EmA_i = Ес_Ai (рис. 2.11).

Смещение центра группирования характеризуется величиной коэффициента относительной асимметрии а, величина которого определяется формулами:

Или

где EcAi — координата середины поля допуска Т.

Коэффициент  определяет величину смещения математического ожидания (центра группирования) отклонений EmAi относительно середины поля рассеяния (или поля допуска) в долях половины поля рассеяния (допуска).

Значения  находятся в пределах от 0 до ± 0,5 и определяются опытным путем или находятся из соответствующих таблиц. В проектных случаях, когда условия обработки бывают неизвестны, часто принимают  = 0, считая кривую распределения симметричной.

Погрешность определения среднего квадратического, обозначаемого в этом случае буквой S, зависит от общего количества п измеренных заготовок и в отдельных случаях весьма значительна. Учитывая это обстоятельство, для предотвращения возможного появления брака целесообразно принять соотношение

 = p*S

где S — среднее квадратическое отклонение, определенное на основании данных замеров партии заготовок; р — коэффициент, учитывающий погрешность определения среднего квадратического при малых размерах партии измеренных заготовок.

n	25	50	75	100	200	300	400	500
p	1,4	1,3	1,25	1,2	1,15	1,12	1,11	1,10

Закон нормального распределения (закон Гаусса) в большинстве случаев оказывается справедлив при механической обработке заготовок с точностью 8, 9 и 10-го квалитетов и грубее.

При более точной обработке распределение размеров обычно подчиняется другим законам.

Закон равнобедренного треугольника (закон Симпсона). При обработке заготовок с точностью 7-го и 8-го а в некоторых случаях и 6-го квалитетов распределение их размеров в большинстве случаев подчиняется закону Симпсона, который графически выражается равнобедренным треугольником (рис. 2.12, а) с полем рассеяния

Рис. 2.12

Распределение размеров обработанных заготовок по закону Симлсома (а) и по закону равной вероятности (б, в)

Закон равной вероятности. Если рассеяние размеров зависит только от переменных систематических погрешностей (например, от износа режущего инструмента), то распределение действительных размеров партии обработанных заготовок подчиняется закону равной вероятности.

Например, при установившемся износе режущего инструмента уменьшение его размеров во времени подчиняется прямолинейному закону, что соответственно увеличивает (при обработке валов) или уменьшает (при обработке отверстий) диаметры обрабатываемых заготовок.

Естественно, что изменение размеров обрабатываемых заготовок на величину

2l = b - а за период Т₂ — Т₁ в этом случае тоже происходит по закону прямой линии (рис. 2.12, б). Распределение размеров заготовок в интервале от а до b по закону равной вероятности выражается прямоугольником (рис. 2.12, в) с основанием 2l и высотой (ординатой) 1/2l.

Площадь прямоугольника равна единице, что означает 100 %-ную вероятность появления размера заготовки в интервале от а до b,

Среднее арифметическое значение размера

L_cp = (a + b)/2

Среднее квадратическое

Фактическое поле рассеяния

Закон равной вероятности распространяется на распределение размеров заготовок повышенной точности (5 - 6-й квалитеты и выше) при их обработке по методу пробных ходов. Из-за сложности получения размеров очень высокой точности вероятность попадания размера заготовки в узкие границы допуска по среднему, наибольшему или наименьшему его значению становится одинаковой.

Закон эксцентриситета (закон Релея). Распределение таких существенно положительных величин, как эксцентриситет, биение, разностенность, непараллельность, неперпендикулярность, овальность, конусообразность и некоторых других, характеризующихся их абсолютными значениями (т. е. без учета знака), подчиняется закону распределения эксцентриситета (закону Релея).

Распределение по закону Релея формируется (в частности) тогда, когда случайная величина R является радиус-вектором при двумерном гауссовом распределении, т. е. если она представляет собой геометрическую сумму двух случайных величин х и у

каждая из которых подчиняется закону Гаусса с параметрами:

Lx_cp = Ly_cp = Lr_cp = 0; _х = _v = ₀

Закон распределения Релея однопараметрический, и уравнение его кривой распределения имеет вид

где _о - среднее квадратическое отклонение значений координат х и у.

На рис. 2.13, б показано, что для теоретической кривой распределения по закону Релея характерны крутой подъем восходящей ветви и более пологий спуск нисходящей ветви.

Рис. 2.13

Образование эксцентриситета (радиуса-вектора R) втулки 1 при ее обработке на цилиндрической оправке 2 при различии зазора между оправкой и отверстием втулки (а) и функция у =f( R ) распределения размеров по закону Релея (б)

Вершина кривой более заострена, чем у кривой нормального распределения, и смещена от среднего значения переменной величины R в сторону начала координат.

При R = 0 и у = 0, т. е. начало кривой распределения эксцентриситета совпадает с началом координат. Нисходящая ветвь этой кривой асимптотически приближается к оси абсцисс.

Основные параметры закона Релея. Среднее арифметическое R_cp переменной случайной величины (эксцентриситета, разностенности и других), ее среднее квадратическое отклонение _R и среднее квадратическое отклонение _о значений координат х и у конца радиус-вектора R связаны между собой следующими соотношениями:

_о = _r / 0,655; Rcp = 1,92; _R = 1,253₀

Фактическое поле рассеяния значений переменной величины радиус-вектора R (эксцентриситета, разностенности, непараллельности и других) находят из выражений:

 = 5,252 _r;  = 3,44 _o

Композиции законов распределения и суммирование погрешностей. При обработке заготовок на точность их размеров часто одновременно воздействуют разные факторы, вызывающие появление как случайных погрешностей, образующихся по разным законам, так и систематических или переменных систематических погрешностей. В подобных случаях закон распределения размеров обработанных заготовок представляет собой композицию нескольких законов распределения.

Когда на размеры заготовок одновременно оказывают влияние случайные причины, обусловливающие рассеяние размеров по закону Гаусса и систематические погрешности - _сист. кривая Гаусса (рис. 2.14, а) смещается на величину этой погрешности, сохраняя свою форму (рис. 2.14, б). В этом случае поле суммарного рассеяния размеров заготовок определяется из выражения

 = 6 + _сист

Например, при развертывании партии заготовок рассеяние размеров диаметров подчиняется закону нормального распределения с полем рассеяния 6. При смене развертки характер рассеяния не меняется (так как все условия обработки остаются неизменными), однако вершина кривой рассеяния смещается на величину разности диаметров старой и новой разверток (_сист = _н). Поле суммарного рассеяния размеров партии заготовок, обработанных обеими развертками, также расширяется на величину этой разности.

Рис. 2.14. Изменение формы суммарной кривой рассеяния под влиянием _сист при обработке нескольких партий заготовок с поднастройской станка

Если при этом кривая рассеяния строится по замерам заготовок без учета систематической погрешности (например, когда измеряется вся партия заготовок, обработанная с нескольких настроек), то форма общей кривой рассеяния искажается и отличается от формы кривой Гаусса (кривая может иметь несколько вершин разной высоты соответственно числу настроек и количеству заготовок, обработанных с каждой настройки (рис. 2.14, в, г).

При вычислении суммарной погрешности обработки систематические погрешности складываются алгебраически, т. е. с учетом их знаков. Вследствии этого результат суммирования может показать не только увеличение, но и снижение общей погрешности в связи с взаимной компенсацией влияния составляющих погрешностей. Например, удлинение резца в связи с его нагревом, уменьшающее диаметр обтачиваемого вала, может скомпенсировать влияние износа резца, вызывающего увеличение диаметра обработки.

Систематическая погрешность со случайной погрешностью складываются арифметически.

Случайные погрешности, не подчиняющиеся закону Гаусса, т.е.

Где , , , - поля рассеяния суммируемых случайных погрешностей; , , , - коэффициенты относительного рассеяния случайных величин.

Коэффициент относительного рассеяния Кi показывает, во сколько раз отличается фактическое рассеяние значений i-й погрешности от величины рассеяния этой погрешности при ее нормальном распределении с тем же значением.

Для закона нормального распределения К = 1,0; для закона Симпсона К= 1,2; для закона равной вероятности К = 1,73.

Из теории вероятностей следует, что при отсутствии доминирующих погрешностей рассеяние суммарной погрешности подчиняется закону Гаусса независимо от законов распределения составляющих погрешностей.

Когда все суммируемые погрешности подчиняются закону Гаусса (K₁ = К₂= ... К_п = 1,0), поле рассеяния суммарной погрешности

В обычных условиях обработки на настроенных станках и при отсутствии заметного влияния износа инструмента распределение большинства составляющих погрешностей подчиняется закону Гаусса и можно было бы принять К = 1,0. Однако для того, чтобы учесть возможное на практике отступление распределения отдельных составляющих от закона Гаусса, в расчетах часто принимают (для создания некоторой гарантии точности) значение К = 1,2, что соответствует распределению, соответствующему закону Симпсона, т. е.

Функция распределения a (t). В большинстве случаев механической обработки заготовок на настроенных станках на точность их размеров одновременно влияет большое число близких по величине и независимых друг от друга случайных причин, обусловливающих распределение размеров по закон}⁷ Гаусса, и переменных систематических погрешностей, возникающих вследствие равномерного износа режущего инструмента и определяющих распределение по закону равной вероятности или другим (например, степенным) законам.

В подобных случаях изменение исследуемой величины Х_t зависит от времени и сама функция может быть представлена в общем виде на некоторый момент времени t выражением

где Yi - независимые или слабо зависимые случайные величины; Сt - сумма неслучайных слагаемых, соответствующая моменту времени t.

Композиция законов Гаусса и равной вероятности создает кривые распределения различной формы, зависящей от степени воздействия на конечное распределение каждого из составляющих законов. Для расчетов точности обработки заготовок при подобной композиции законов распределения удобно пользоваться разработанной профессором Н. Д. Бородачевым функцией распределения a (t).

Рис. 1 Кривая функция a (t)

Функция a (t) формируется законом Гаусса с его параметрами  и L_cp, зависящими от точности вида обработки и технологической системы.

Функция a (t) отражает не только точность, но и продолжительность процесса обработки.

Функцию a (t) можно рассматривать как результат равномерного смещения во времени вершины кривой Гаусса со средним квадратическим  на величину параметра 2 кривой распределения закона равной вероятности.

Рассеяние размеров обрабатываемых заготовок вызывается многочисленными случайными факторами различного характера, оказывающими свое воздействие на отдельные элементы технологической системы одновременно и независимо друг от друга. По своему происхождению эти факторы могут быть объединены в определенные группы, вызывающие свою долю общего рассеяния размеров.

Рассеяние размеров, связанное с видом обработки (мгновенное рассеяние). Каждому виду обработки, осуществляемому на определенном оборудовании, свойственна своя величина рассеяния размеров, характеризуемая полем _м рассеяния.

Однако и внутри данного вида обработки значение _м изменяется в зависимости от конструкции, типоразмера и состояния станка (т. е. от его точности и жесткости). Развитие конструкции станков и появление их новых типоразмеров могут вызвать переоценку установившихся представлений о рассеянии размеров при данном виде обработки.

Рассеяние размеров, связанное с видом обработки, не остается постоянным и в продолжении обработки партии заготовок, а изменяется в зависимости от состояния режущего инструмента.

Рассеяние размеров в каждый данный момент времени (мгновенное рассеяние) определяется факторами, не зависящими от нагрузки (зазором в подшипнике шпинделя, неравномерностью процесса резания) и оказывающими влияние на нагрузку (колебаниями припусков на обработку, колебаниями твердости обрабатываемого материала).

Каждый из факторов, влияющих на мгновенное рассеяние размеров, проявляет свое действие независимо друг от друга и изменяется как случайная величина, формируя поле мгновенного рассеяния _м.

Рассеяние размеров, связанное с погрешностью установки. При установке заготовки на станке для обработки методом автоматического получения размеров достигаемая точность размеров зависит от положения измерительной базы заготовки относительно режущего инструмента.

Рис. 2.2. Возникновение погрешности базирования _б.

Колебание положения измерительной базы заготовки является причиной возникновения погрешности установки _у, вызывающей рассеяние _у.размеров. Значение _у. складывается из погрешностей базирования _б = _б, закрепления ₃ = ₃ и приспособления _пр = _пр.

Погрешность базирования. При установке заготовки в приспособлении в ряде случаев возникает погрешность базирования _б = _б, связанная с несовпадением измерительной (плоскость А) и технологической (плоскость В) баз (рис. 2.2, а) или вызванная особенностями формы опорных поверхностей заготовки и установочных элементов приспособления (рис. 2.2, б).

Погрешность базирования (поле рассеяния размеров вследствие погрешности базирования) можно определить как разность предельных расстояний измерительной базы заготовки относительно установленного на размер инструмента.

Поле рассеяния размера а (рис. 2.2, а), связанное с погрешностью базирования, находится из уравнения _б = Тb, а поле рассеяния размера m (рис. 2.2, б) подсчитывается по формуле

Погрешность базирования определяется из геометрических соотношений и при определенных условиях может быть сведена к нулю.

Рис. 2.3. Погрешность закрепления _б = S_max при фрезеровании (а) и при токарной обработке (б)

Погрешность закрепления. При закреплении заготовки в приспособлении во многих случаях происходит ее перемещение (выжимание из приспособления), приводящее к появлению зазора S между базирующей поверхностью заготовки и соответствующей установочной поверхностью приспособления, по отношению к которой производится настройка станка (рис. 2.3). Изменение перемещения заготовки при ее закреплении в приспособлении вызывает рассеяние размера а с полем рассеяния _з, определяемым в большинстве случаев экспериментальным путем.

Погрешность закрепления ₃ = ₃ зависит от конструкции и состояния зажимного устройства приспособления и от направления усилия зажима. Наименьшая погрешность закрепления, связанная с выжиманием заготовки из приспособления, достигается при направлении зажимного усилия перпендикулярном технологической установочной базе. Однако и в этом случае погрешность закрепления не равна нулю в связи с неточностью базирующих опорных поверхностей заготовок и наличием контактных деформаций поверхностей стыка. Эти деформации в общем виде описываются нелинейным законом вида

и могут достигать в отдельных случаях больших значений.

с - коэффициент, характеризующий вид контакта, материал заготовки, шероховатость и состояние его поверхностного слоя; Р - сила, действующая на контактный элемент (опору); п - показатель степени (меньше единицы).

Контактные деформации поверхностей стыка сопровождаются перемещением технологической и измерительной баз заготовки относительно положения установленного инструмента и поэтому тоже вызывают появление погрешности закрепления.

Погрешность приспособления. При установке и закреплении заготовки в приспособлении ее положение относительно инструмента может оказаться неточным из-за погрешности изготовления и сборки самого приспособления (например, погрешности установочных элементов приспособления, его делительных устройств), его износа и неточности установки приспособления на станке. Для различных приспособлений значения перечисленных погрешностей изменяются в пределах 0,005 - 0,02 мм, и, суммируясь как случайные величины, образуют общую погрешность приспособления.

При однократном применении одноместного приспособления (обработка партии заготовок при одной настройке станка или небольшом числе настроек) погрешность приспособления вызывает систематическую погрешность обработанной заготовки и во многих случаях может быть скомпенсирована при настройке станка. В этом случае при расчете общей погрешности установки погрешность приспособления можно не учитывать.

При применении многоместных приспособлений, приспособлений-спутников на автоматических линиях, большом числе приспособлений-дублеров погрешности приспособлений в процессе настройки станков скомпенсированы быть не могут и оказывают свое влияние на общее рассеяние размеров обрабатываемых заготовок как случайные величины с полем рассеяния _пр.

Общая погрешность _у установки слагается из всех перечисленных составляющих и определяется в соответствии с правилами суммирования случайных величин по формуле

Рассеяние размеров, связанное с погрешностью настройки.

Погрешность настройки станка _н = _н изменяется как случайная величина в результате воздействия погрешности регулирования _рег положения режущего инструмента и отдельных узлов станка относительно установленного инструмента и под влиянием погрешности измерения _изм пробных заготовок, по которым производится настройка станка.

Погрешность положения режущего инструмента на станке определяется точностью используемых при настройке регулировочных средств (лимбов, индикаторов, миниметров, упоров и др.). При упрощенных расчетах точности обработки _рег можно принимать равной цене деления регулировочного устройства или предельной погрешности мерительного инструмента, с помощью которого регулируют положение режущего инструмента. Точность установки требуемого положения отдельных узлов станка (например, стола фрезерного станка по высоте относительно положения шпинделя) относительно установленного режущего инструмента зависит от конструкции и состояния станка и определяется по его характеристикам.

Погрешность измерения _изм пробных заготовок принимается равной предельной погрешности используемого измерительного инструмента.

Суммарная погрешность настройки в общем случае определяется выражением

При настройке станков по пробным заготовкам с помощью универсального измерительного инструмента на погрешность настройки оказывает дополнительное влияние величина смещения _смещ центра группирования групповых средних, которая определяется формулой

где т - число пробных заготовок, по которым производят настройку станка В этом случае погрешность настройки

Общее (суммарное) рассеяние размеров заготовок и общая погрешность обработки. Суммарное поле общего рассеяния размеров партии заготовок, обработанных на настроенном станке по методу автоматического получения размеров, выражается формулой

или в развернутом виде

Общая погрешность обработки _обр включает в себя все поля рассеяния размеров заготовок под влиянием причин случайного характера, а также систематические и переменные систематические погрешности обработки, т. е.

Величина _сист представляет собой алгебраическую сумму неустранимых при настройке станка систематических погрешностей, возникающих при обработке заготовок и влияющих на их размеры, и наибольших значений переменных систематических погрешностей.

Ранее было отмечено, что систематические погрешности не изменяют форму кривой рассеяния размеров обрабатываемых заготовок, а только сдвигают положение ее вершины, соответственно увеличивая общее поле колебания размеров партии обработанных заготовок, а следовательно, и общую погрешность обработки. Особенно большое практическое значение при этом имеет определение величин и знаков переменных систематических погрешностей.

Известно, что переменные систематические погрешности, обусловленные износом режущего инструмента, изменяются по закону равной вероятности. Однако при нахождении суммарной погрешности обработки заготовок определять полную долю погрешности, вызываемую износом режущего инструмента, по этому закону практически не всегда нужно, так как эта составляющая погрешности задается при настройке станков, исходя из условий проведения операции и необходимого периода работы станка между его поднастройками, которые компенсируют смещение центра группирования размеров, связанное с износом инструмента.

Погрешности, вызываемые тепловыми деформациями технологической системы (смещение передней бабки токарного или шлифовального станка в направлении на рабочего, удлинение резцов и др.), обычно имеют знак, противоположный погрешностям, обусловленным износом инструмента, и в период тепловых деформаций (период разогревания технологической системы до наступления ее тепловой стабилизации, устанавливающейся через несколько часов после начала работы станка) могут уменьшать влияние износа инструмента.

Для уменьшения погрешности настройки _н = _н необходимо сократить погрешность измерения _изм пробных заготовок путем применения более точного измерительного инструмента и погрешность регулирования _рег за счет использования более точных установочных устройств.

Снижения погрешности закрепления _з можно достигнуть в результате применения более совершенных конструкций приспособлений, предусматривающих плотный прижим базирующих поверхностей заготовок к жестким и точным установочным элементам, а также за счет использования при построении операции настроечных или проверочных технологических баз.

Погрешность базирования _б = _б можно устранить полностью или свести до минимума посредством правильного выбора формы установочных элементов приспособлений, базирующих поверхностей заготовок и правильной простановки размеров в чертеже заготовки, предусматривающей совмещение технологических и измерительных баз.

Только после использования всех указанных способов уменьшения погрешностей обработки следует анализировать возможности сокращения мгновенного рассеяния _м. Это связано с тем, что для снижения _м обычно приходится заменять производительные и экономичные способы обработки на автоматах и револьверных станках обработкой на более точных, но менее производительных токарных, шлифовальных и доводочных станках.

Изложенная методика расчета рассеяния размеров заготовок и общей погрешности их обработки на станках рекомендуется для использования в проектно-технологических организациях и в отделах Главного технолога завода при выполнении проектных расчетов для сопоставления точности обработки заготовок при разных вариантах технологических процессов на различных станках и с разной технологической оснасткой. В этом случае в расчет следует вводить данные о значениях отдельных составляющих погрешностей и рассеяния, приведенные в литературе, справочниках и заводских нормативах.

ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ЗАКОНОВ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ РАЗМЕРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ

Изложенные законы распределения размеров используются в технологии машиностроения для установления надежности проектируемого технологического процесса в обеспечении обработки заготовок без брака; расчета количества вероятного брака при обработке; определения количества обработанных заготовок, требующих дополнительной обработки; расчета экономической целесообразности использования высокопроизводительных станков пониженной точности; расчета настройки станков; сопоставления точности обработки заготовок при различном состоянии оборудования, инструмента, смазочно-охлаждающей жидкости и т. п.

Установление надежности обработки заготовок без брака. Надежность обеспечения требуемой точности обработки заготовок характеризуется запасом точности  данной операции, который определяется по формуле

 = Т / 

где Т - допуск на обработку заготовки;  - фактическое поле рассеяния размеров заготовок.

Величина поля рассеяния  при различных законах распределения размеров обрабатываемых заготовок приводится ниже.

Нормальное распределение (закон Гаусса) 6

Равнобедренный треугольник (закон Симпсона)

Равная вероятность

Эксцентрисет (закон Релея) 3,44_o; 5,25_r

Линейная функция a(t)

_а = 3 4,74 _а

_а = 6 4,14 _а

_а = 10 3,76 _а

_а = 24 3,56 _а

Когда запас точности  > 1,0, обработка заготовок может быть осуществлена без брака (при условии правильной настройки станка, обеспечивающей совмещение вершины кривой рассеяния с серединой поля допуска). При  < 1,0 брак заготовок является весьма вероятным.

При  > 1,2 процесс обработки считается надежным. Для всех законов распределения размеров условием обработки заготовок без брака является выражение  < T, показывающее, что поле фактического рассеяния размеров меньше установленного допуска.

ВЛИЯНИЕ ДИНАМИКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ПОГРЕШНОСТИ ФОРМЫ И ВОЛНИСТОСТЬ ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПОНЯТИЕ О ЗАМКНУТОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ

При введении упругой технологической системы станок – приспособление – заготовка – инструмент в процессе обработки в состав ее элементов включаются и участвующие в общем действии рабочие процессы: резание и трение, а также процессы, протекающие в приводах, образуя в совокупности замкнутую динамическую систему (проф. В. А. Кудинов). При этом замкнутость динамической системы обусловливается взаимодействием упругой технологической системы с протекающими при обработке рабочими процессами. Так, например, изменение силы резания вызывает упругие перемещения инструмента относительно заготовки, что в свою очередь приводит к изменению толщины среза и новому изменению силы резания и т. д.

Важнейшими показателями качества динамической системы являются: устойчивость системы в процессе обработки, т. е. необходимая стойкость системы против самопроизвольного возникновения незатухающих вибраций (автоколебаний) и подрывания инструмента; статическая погрешность обработки из-за деформации системы; влияние на точность обработки, шероховатость и волнистость обработанной поверхности вынужденных колебаний от различных источников возмущений; погрешности обработки и достаточно быстрое затухание переходных процессов при изменении величины припуска, врезании и выходе инструмента и т. п.

В общем случае замкнутая динамическая система является многоконтурной, в которой рабочие процессы взаимосвязаны друг с другом через упругую систему. При этом упругая система в свою очередь оказывает заметное влияние на протекание рабочих процессов. В конкретных условиях анализа бывает целесообразно ограничиться изучением наиболее важных для данного случая связей, приближенно рассматривая многоконтурную динамическую систему как эквивалентную одноконтурную замкнутую систему. При решении технологических задач, при анализе или расчете режимов резания и точности обработки удобно перейти к системе, состоящей из эквивалентной упругой системы (включающей в себя упругую технологическую систему, процессы трения и привод) и процесса резания.

Устойчивость динамической системы. В общем случае устойчивой считается система, отклонение у которой от данного состояния (равновесия или движения по заданному закону) в переходном процессе, вызванном ограниченным по величине воздействием, со временем не возрастает (в реальной системе - уменьшается). Если это отклонение возрастает, то система считается неустойчивой. Нелинейность системы, т. е. изменение значений ее параметров с отклонением, приводит к тому, что отклонение не нарастает беспредельно и его увеличение прекращается по достижении некоторой величины. При периодической неустойчивости устанавливаются колебания с некоторой амплитудой, носящие название автоколебаний (при резании и трении вибраций). При апериодической неустойчивости происходит «подрывание» инструментов. При этом виде неустойчивости возникает нарастающее по времени за счет деформации в одном направлении отклонение инструмента или заготовки. Инструмент все глубже врезается в металл, усилие резания нарастает, и в конце концов происходит поломка инструмента или заготовки. Неустойчивость динамической системы чаще всего проявляется при обработке заготовок, вращающихся с частотой вращения, близкой к частоте собственных колебаний системы; при обработке тонкостенных заготовок; при использовании длинного и тонкого центрового инструмента (сверла, зенкеры, расточные оправки) в условиях продольного изгиба. Область устойчивости динамической системы определяется совокупностью значений параметров (режимов резания, геометрии и конструкции инструментов и технологической оснастки), при которых система заданной структуры является устойчивой. Эта область графически может быть определена в пространстве с координатной системой, по осям которой откладываются параметры.

Степень устойчивости системы определяет ее способность рассеивать энергию, вносимую внешним воздействием, и может быть оценена по быстроте затухания отклонений в переходных процессах. Чем больше степень устойчивости по данной частотной составляющей, тем быстрее затухает переходный процесс, тем меньше отклонения в установившихся динамических процессах (например, амплитуда колебаний). Продолжительность затухания колебаний характеризует степень устойчивости данной системы.

ВИБРАЦИИ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Изменения величины силы резания, имеющие место в процессе обработки; внешние толчки и сотрясения; дисбаланс вращающихся частей станка, приспособления, заготовки и инструмента и другие причины вызывают появление колебаний элементов динамической системы, сопровождающихся возникновением относительных перемещений режущих инструментов по нормали к обрабатываемой поверхности, которые порождают погрешности геометрической формы и волнистость обрабатываемых поверхностей.

Собственные (или свободные) колебания элементов упругой системы, вызываемые внешними причинами (резкое изменение нагрузки, толчки, удары и т. п.), в реальных системах являются затухающими колебаниями.

Под влиянием сопротивления среды (силы трения, рассеяние энергии при демпфировании) собственные колебания в реальных системах постепенно затухают.

Когда на систему действуют внешняя периодическая возбуждающая сила (прерывистое резание, дисбаланс вращающихся частей, неравномерность снимаемого припуска); колебания, передаваемые извне (от расположенных поблизости сильно вибрирующих машин); колебания, вызываемые дефектами передач и приводов станков и т. п., в системе развиваются вынужденные колебания.

Круговая частота вынужденных колебаний _в равна или кратна частоте возмущающей силы (частоте внешнего воздействия), которая может быть подсчитана заранее. Интенсивность вынужденных колебаний, выражаемая величиной их амплитуды А_в, зависит от соотношения частот собственных и вынужденных колебаний. Когда частота вынужденных колебаний _в становится равной частоте собственных колебаний _с и _в/_с = 1, наступает резонанс, при котором амплитуда вынужденных колебаний А_в особенно велика. В реальных системах наибольшее значение амплитуды вынужденных колебаний имеет место в случае, когда частота вынужденных колебаний близка, но несколько меньше частоты собственных колебаний системы.

Для того чтобы вывести систему из состояния, близкого к резонансу, и для выполнения приведенного условия часто бывает достаточно изменить частоту вращения обрабатываемой заготовки или инструмента (шпинделя расточного станка, фрезы).

Автоколебания. При механической обработке заготовок резанием и при трении подвижных соединений большое значение имеет возникновение автоколебаний, не связанных с воздействием внешних периодических сил.

В общем случае автоколебания - это незатухающие колебания неконсервативной системы, установившаяся амплитуда и частота которых определяются свойствами самой системы (неконсервативной называется система, в которой при колебаниях происходит рассеяние энергии, обусловленное упругим несовершенством материалов элементов или трением в неподвижных соединениях, т. е. так называемым конструкционным демпфированием).

Автоколебания являются устойчивыми колебаниями с частотой, определяемой свойствами колебательной системы, близкой к одной из частот собственных колебаний упругой технологической системы. Автоколебания системы начинаются одновременно с началом процесса резания и прекращаются после отвода инструмента. Это свидетельствует о том, что причиной возникновения автоколебаний является сам процесс резания.

Таким образом, при автоколебательном процессе переменная сила, поддерживающая колебательное движение, создается и управляется самим движением и при его прекращении исчезает. При наличии колебаний в автоколебательных системах неколебательный источник энергии производит переменное действие, поддерживающее стационарный колебательный процесс. При этом переменное воздействие обеспечивает приток энергии, покрывающий ее потери при колебаниях. Первоначальное зарождение колебаний в реальных системах связано с наличием у них большого числа степеней свободы и переменной жесткости элементов систем в различных направлениях осей координат. В устойчивых системах колебания, вызванные случайными причинами, быстро затухают, в то время как в автоколебательных системах они поддерживаются самим колебательным движением.

Во всяком колебательном процессе участвуют силы сопротивления (силы трения, особенно в стыках деталей системы, и внутреннее сопротивление, связанное с рассеянием энергии), поглощающие за каждый цикл определенное количество энергии. Если эти затраты энергии не восполняются, то колебания затухают (как это и происходит с собственными колебаниями, вызванными внешним источником). Автоколебания поддерживаются за счет разности работы резания, совершаемой резцом при его врезании и отталкивании.

Как показали экспериментальные исследования в условиях колебательного процесса при снятии одинаковой толщины среза сила резания при врезании резца меньше, чем при его отталкивании. Это связано со следующими причинами:

1. При врезании резец в процессе углубления в металл встречает свежие, слабо деформированные и ненаклепанные слои; при движении отталкивания резец снимает слои повышенной твердости, что ведет к повышению усилия резания.

2. В процессе колебаний (как указывалось выше) толщина среза все время изменяется. При врезании происходит переход от меньших толщин среза к большим, а при отталкивании, наоборот, от больших к меньшим. Изменение картины пластической деформации происходит не мгновенно, а с определенным опозданием. В связи с этим в каждый момент пластическая деформация при врезании соответствует некоторой меньшей, а при отталкивании - большей толщине среза, чем та, которая фактически существует. В соответствии с этим усилие резания при отталкивании оказывается больше, а при врезании меньше, чем усилие резания при работе без вибраций со снятием той же толщины среза.

3. Скорость врезания увеличивает, а скорость отталкивания уменьшает относительную скорость скольжения стружки по передней поверхности инструмента, в результате чего сила трения и, следовательно, усилие резания при врезании меньше, чем при отталкивании (так как при повышении скорости скольжения коэффициент трения уменьшается).

Таким образам, вибрации, возникающие в динамической системе при резании, обусловливаются не только «чистым» автоколебательным процессом, но в их возбуждении участвует одновременно и внешняя возбуждающая сила, порождающая вынужденные колебания (в первую очередь при обработке «по следу»).

Частота колебаний. Колебательный процесс в динамической системе в первую очередь характеризуется круговой частотой  и амплитудой А колебаний.

При обработке резанием различают низкочастотные вибрации (порядка десятков и сотен колебаний в секунду), когда вибрирует весь станок и на обработанной поверхности образуются глубокие волны, и высокочастотные вибрации, достигающие 1500 - 4000 колебаний в секунду, обычно связанные с колебаниями инструментов. Вибрации высокой частоты чаще всего возникают при больших скоростях резания (свыше 150 м/мин) при работе резцами с большим вылетом и значительным износом по задней поверхности и в случаях недостаточно жесткого их закрепления в резцедержателях.

Амплитуда колебаний. В технологической системе амплитуда колебаний, возникающих в процессе обработки резанием и определяющих интенсивность вибраций, устанавливается в зависимости от динамической характеристики системы, свойств обрабатываемого материала и условий резания. При этом в зоне сравнительно низких скоростей резания с увеличением скорости до некоторого значения, зависящего от характеристики системы и от ширины среза, амплитуда колебаний быстро возрастает, а при дальнейшем повышении скорости снижается. Некоторое увеличение амплитуды на самых больших скоростях резания (400 - 450 м) объясняется недостаточной балансировкой станка и появлением дополнительных вынужденных колебаний. Увеличение частоты = 2f и повышение жесткости j уменьшают амплитуду А. Увеличение сил сопротивления колебаниям также уменьшает амплитуду и в некоторых случаях делает их появление невозможным. Увеличение ширины среза В (что при продольном обтачивании и растачивании равноценно увеличению глубины резания t) увеличивает амплитуду колебаний. Увеличение толщины среза (при продольном обтачивании - увеличение подачи s, мм/мин) приводит к уменьшению амплитуды, поэтому при снятии толстых стружек процесс резания протекает спокойнее, чем при снятии тонких. Заметное влияние на амплитуду колебаний оказывают свойства обрабатываемого материала и геометрии режущего инструмента.

ВЛИЯНИЕ ВИБРАЦИЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ НА ТОЧНОСТЬ И ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТЬ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Вибрации технологической системы, возникающие при обработке заготовок, оказывают большое влияние на точность обработки и стойкость режущего инструмента. При появлении колебаний режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности его стойкость снижается пропорционально квадрату амплитуды и на заготовке возникают погрешности формы поперечного сечения (овальность, огранка), образуется волнистость и увеличивается шероховатость обработанной поверхности. При образовании волнистости, непосредствено связанном с вибрациями динамической системы и с увеличением колебаний, а также с возникновением дисбаланса вращающихся элементов системы, высота волн W_z и шероховатость обработанной поверхности увеличиваются.

Возникшие вибрации по достижении определенных величин амплитуд дополнительно усиливаются в связи с нестабильностью сил резания при врезании и отталкивании режущего инструмента, а также в результате изменения истинных углов резания при относительных колебаниях элементов системы, что приводит к изменениям силы резания и вызываемых ею перемещений. При малой жесткости технологической системы указанные источники могут не только усиливать возникшие колебания, но и сами могут стать причиной их возникновения. В связи с вредным воздействием вибраций динамической системы на точность и производительность обработки и стойкость режущего инструмента при проектировании технологических процессов и технологической оснастки ставится задача полного устранения опасности возникновения колебаний или сведения их к допустимому минимальному уровню посредством повышения устойчивости динамической системы. Наиболее действенным средством борьбы с вибрациями и повышения виброустойчивости динамической системы является увеличение жесткости всех элементов упругой системы, приводящее к повышению точности обработки и стойкости режущего инструмента. Это достигается повышением жесткости и точности металлорежущего станка и его элементов (увеличением общей жесткости конструкции, жесткости задней бабки и суппорта, устранением излишних зазоров в подвижных соединениях, особенно в переднем подшипнике шпинделя, устранением овальности шеек, шпинделя, обеспечением плотности стыков в неподвижных соединениях и т. п.), а также жесткости приспособлений и крепления в них обрабатываемых заготовок, применением люнетов и повышением жесткости конструкции режущего инструмента и его крепления на станке. При изменении жесткости в широких пределах возможны случаи, когда увеличение жесткости, повышая устойчивость по отношению к низкочастотной форме возмущенного движения, приводит к появлению неустойчивости высокочастотной формы Например, уменьшение вылета расточной оправки малого диаметра устраняет низкочастотные вибрации с частотой изгибных колебаний. Однако при этом облегчается возникновение высокочастотных вибраций с частотой крутильных колебаний. Дальнейшее уменьшение вылета приводит к устранению и высокочастотных колебаний.

Важным средством предотвращения вибраций является правильное назначение геометрии режущего инструмента (увеличение углов в плане до 45°, создание виброгасящих фасок и лунок) и (в некоторых случаях) работа перевернутыми резцами, а также установка попарно нескольких инструментов, взаимно уравновешивающих колебания сил резания и т. п. Очень важным средством предотвращения появления вибраций является назначение режимов резания в пределах запаса устойчивости упругой системы по скорости (с целью обеспечения скорости скольжения стружки вне зоны падающей характеристики трения в зависимости от скорости), по подаче, глубине резания и ширине среза. В частности, при обдирочном и получистовом точении увеличение подачи обычно способствует устранению низкочастотных вибраций.

Увеличение глубины резания (как правило) вызывает появление и усиление вибраций.

Подбор оптимальных смазочно-охлаждающих жидкостей, уменьшающих трение в зоне резания, а также трение стружки и передней поверхности инструмента, существенно снижающих уровень усилий резания, в свою очередь может значительно уменьшить интенсивность колебаний динамической системы.

При обработке неустойчивых заготовок и при использовании длинных расточных борштанг малой жесткости и резцов с большим вылетом часто применяются разнообразные гасители колебаний (гидравлические, механические, динамические одно- и многомассовые виброгасители ударного действия и т.п.), поглощающие энергию колебательного движения и снижающее интенсивность вибраций.

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Теоретические расчеты и экспериментальные исследования систематических и случайных погрешностей обработки и большой фактический материал по точности различных методов обработки, накопленный за последние годы, дают возможность предварительно рассчитать ожидаемую точность и вероятное количество брака при разных вариантах технологических процессов, решить задачу управления точностью проектируемых технологических процессов и снизить возникающие при обработке погрешности до уровня, предписанного требованиями чертежей.

Задача управления точностью обработки и снижения ее погрешностей решается по нескольким направлениям:

1. точностные расчеты и осуществление первоначальной настройки станков, обеспечивающие минимальные систематические погрешности, которые связаны с настройкой, а также реализация наибольшего периода работы станков без поднастройки;

2. расчеты режимов резания с учетом фактической жесткости технологической системы, при которых обеспечивается требуемое уточнение заготовок в процессе их обработки;

3. точное управление (ручное и автоматическое) процессом обработки и своевременная точная поднастройка станков.

МЕТОДЫ НАСТРОЙКИ СТАНКОВ И РАСЧЕТЫ НАСТРОЕЧНЫХ РАЗМЕРОВ. ПОГРЕШНОСТЕЙ НАСТРОЙКИ И РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ

Для осуществления технологической операции необходимо произвести предварительную наладку (настройку) станка. Наладкой (настройкой) называется процесс подготовки технологического оборудования и технологической оснастки к выполнению определенной технологической операции (ГОСТ 3.1109—82).

В условиях единичного и мелкосерийного производства, когда требуемая точность изделия достигается методом пробных ходов и промеров, задачами настройки являются:

1) установка приспособления и режущих инструментов в положения, обеспечивающие наивыгоднейшие условия резания (теоретически правильные статические и динамические углы резания), хорошие условия стружкообразования, высокую производительность обработки, стойкость режущего инструмента и требуемое качество обрабатываемой поверхности;

2)установка режимов работы станка

При крупносерийном и массовом типах производства, когда требуемая точность достигается методом автоматического получения размеров на настроенных станках, к указанным двум задачам настройки добавляется третья — обеспечение точности взаимного расположения режущих инструментов, приспособления, кулачков, упоров, копиров и других устройств, определяющих величину и траекторию перемещения инструментов относительно обрабатываемого изделия.

Третья задача, решение которой в значительной степени определяет точность обработки, является наиболее сложной и ответственной, требующей проведения специальных расчетов.

В настоящее время применяются следующие методы настройки станков: статическая настройка; настройка по пробным заготовкам с помощью рабочего калибра и настройка с помощью универсального мерительного инструмента по пробным заготовкам.

Статическая настройка

Метод статической настройки заключается в установке режущих инструментов по различным калибрам и эталонам на неподвижном станке.

Для сокращения времени настройки установка инструмента производится по детали-эталону или специальному калибру, которые располагаются на станке на месте обрабатываемой заготовки. Инструмент доводится до соприкосновения с поверхностью калибра и закрепляется. Одновременно устанавливаются соответствующие упоры. При настройке станка для обработки плоскостных заготовок с точными размерами в качестве установочного калибра часто используется набор мерных плиток. В ряде случаев для установки инструментов применяются специальные установочные приспособления с индикаторными устройствами.

При статической настройке станка в связи с деформациями в упругой технологической системе, зависящими от действия сил резания, температурного режима системы и других факторов, размер обработанного изделия оказывается больше (для охватываемых поверхностей) или меньше (для охватывающих поверхностей) требуемого.

Для компенсации изменения фактических размеров обрабатываемых заготовок установочные калибры или эталонные детали при статической настройке изготовляются с, отступлением от чертежа заготовки на величину некоторой поправки _попр.

Величина поправки почти всегда положительна, за исключением тех редких случаев, когда при дополнительном нагружении лезвие инструмента не отжимается, а врезается в металл. Знак минус принимается для случая обработки вала, а знак плюс — для отверстия.

В связи с тем что установка резца по калибру осуществляется соприкосновением его вершины с точной поверхностью калибра и при обработке заготовки положение вершины резца определяет положение впадин неровностей, а измерение заготовки производится по выступам неровностей, измеренный размер оказывается больше размера калибра.

В связи с дополнительными погрешностями статической настройки (погрешность установки детали-эталона, погрешность установки резца по эталону и др.) поправка обычно не создает условий для получения точности заготовок выше 8—9-го квалитетов. Это приводит к необходимости дополнять статическую настройку динамической настройкой, проводя добавочное регулирование положения инструментов и упоров при обработке первых заготовок партии.

Вместе с тем значительное сокращение продолжительности настройки станков при установке инструментов по эталонам, особенно при многорезцовой обработке, предопределяет широкое распространение этого метода при крупносерийном и массовом типах производства. К числу больших преимуществ этого метода следует отнести также возможность настройки инструментальных блоков по эталонам вне станка на специальных оптических устройствах, что существенно повышает точность настройки и сокращает простои станков при настройке. Этот способ настройки часто применяется при многоинструментной обработке и является основным методом настройки обрабатывающих центров и других станков с ЧПУ

Настройка по пробным заготовкам с помощью рабочего калибра

В настоящее время на большинстве машиностроительных заводов получил распространение метод настройки по тому же рабочему калибру, которым пользуется в дальнейшем рабочий при обработке изделия. После настройки рабочий обязан изготовить одну или (реже) несколько заготовок. Если размеры находятся в пределах допусков, предусмотренных рабочим калибром, то настройка считается правильной и разрешается обработка всей партии заготовок.

Такой метод настройки нельзя считать удовлетворительным, так как даже в наиболее благоприятном случае, когда допуск на обработку значительно превосходит поле рассеяния, нет гарантии того, что значительная часть заготовок-партий не окажется за пределами установленного допуска, т. е. будет браком. Кривая рассеяния, к которой принадлежит размер пробной заготовки, может занимать внутри поля допуска различные положения, и при изготовлении одной пробной заготовки нельзя определить, какому участку поля рассеяния она соответствует.

Для исключения опасности появления брака в случае, когда поле допуска превышает поле рассеяния, необходимо с помощью настройки обеспечить расположение кривой фактического распределения размеров внутри поля допуска с таким расчетом, чтобы ее центр группирования [математическое ожидание] отстоял от предельных размеров не менее чем на З. Методом настройки станков по рабочим калибрам при небольшом числе пробных заготовок эту задачу решить нельзя. Более рациональным является метод настройки станков с помощью универсальных измерительных инструментов по суженным допускам.