30. Геометрическая точность станков (классы точности станков)

Погрешность изготовления и сборки станков ограничивается нормами стандартов, опреде­ляющими допуски и методы проверки точности станков в ненагруженном состоянии, т.е. геомет­рической точности.

Ниже приведены данные к станкам нормальной точности (станки класса Н), предназначенным для обработки средних размеров заготовок в пределах допусков 7-9-го квалитета точности.

5. Радиальное биение шпинделей токарных и фрезерных станков

(на конце шпинделя), мм 0,01 -0,015

6. Биение конического отверстия в шпинделе, мм:

• токарного и фрезерного станков на длине

оправки 300 мм 0,02

• вертикально-сверлильных станков на длине

оправки 100-300 мм 0,03-0,05

7. Торцевое (осевое) биение шпинделей, мм 0,01-0,02

8. Прямолинейность и параллельность направляющих токарных и продольно-строгальных станков, мм:

• на длине 1000 мм 0,022

• на всей длине 0,05-0,08

9. Прямолинейность продольных направляющих и столов фрезерных станков, мм:

» на длине 1000 мм 0,03-0,04

10. Параллельность осей шпинделей токарных станков направлению движений кареток, мм:

• в вертикальной плоскости на длине 300 мм 0,02-0,03

• в горизонтальной плоскости на длине оправки 300 мм 0,01-0,015

11. Перпендикулярность осей шпинделей вертикально-сверлильных станков относительно плоскости столов, мм:

• на длине 300 мм 0,06-0,010

Неравномерность износа направляющих по их длине приводит к появлению систематических погрешностей обработки заготовок.

За 1 год эксплуатации токарных станков при двухсменной работе в условиях единичного и се­рийного производства (в условиях массового производства втрое больше) при среднем диаметре обрабатываемых заготовок 100 мм и их длине 150-200 мм износ передней грани несимметричной треугольной направляющей составил, мм:

• при чистовой обработке 0,04-0,05

• при частично чистовой и обдирочной обработке

стали (80 %) и чугуна (20 %) 0,26—0,08

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

Износ второй (плоской) направляющей при этом оказался в 5 раз меньше. Наибольший износ находился на расстоянии 400 мм от торца шпинделя.

Износ определяется следующим образом:

- скорость износа;

- мощность, затраченная на износ, где – относительная скорость скольжения; N – нормальная реакция; F – площадь соприкосновения.

Степень геометрической погрешности станков более высоких точностных групп уменьшается, а трудоемкость их изготовления резко возрастает по отношению к характеристикам станков нормальной степени точности Н (рис. 30.1.).

31. Особенности силового нагружения станочной системы и взаимосвязь размеров соприкасающихся поверхностей

Точность обработанных поверхностей деталей машин определяется погрешностями размеров и формы. Повышение точности (уменьшение погрешностей) требует постоянства относительного расположения инструмента детали за все время съема припуска.

Обычно предельные значения погрешностей соизмеримы с деформациями станочной системы от сил резания. Поэтому режимы резания подбираются не только с учетом заданной производительности, но и с учетом возможных деформаций, обусловленных возникающими в процессе обработки силами резания. В общем случае при назначении режимов резания учитывают: усредненную (постоянную) мощность, зависящую от силы и скорости резания; стойкость и прочность инструмента; прочность механизмов станка; условие наибольшей производительности или минимальной себестоимости обработки; требуемую точность и качество обрабатываемой поверхности. В большинстве случаев данные характеристики принимаются стационарными, независящими от времени. При этом жесткость технологической системы также принимается постоянной. Точностные расчеты и первоначальная настройка станков обеспечивают минимальные систематические погрешности и допускают тем самым наибольший период работы без поднастройки с учетом постоянства сил резания. Однако условия съема припуска не остаются постоянными. Они вызывают динамические погрешности, обусловленные упругими отжатиями. Их величина и направление зависят от стабильности физико-механических свойств материала заготовки и инструмента, величины и равномерности снимаемого припуска, геометрии инструмента и т.п. Изменение этих параметров приводит к колебанию величины и направления сил резания. Как известно, величина силы резания определяется соотношением .

Однако при неизменном значении Р соотношение составляющих Рх, Ру, Рz: могут быть самыми разнообразными.

Рис. 31.1. Зависимость составляющих сил резания от соотношения элементов срезаемого слоя: а - схема обработки; 6 - элементы срезаемого слоя; в, г - соотношение сил резания

Пример зависимости составляющих Рх и Ру от соотношения подачи S и глубины резания t показан на рис. 31.1. Следует помнить, что с точки зрения нагруженности резца «легче» работать с меньшей подачей S и большей глубиной резания t. Для станка - с большей подачей и меньшей глубиной резания. Здесь глубина резания t и подача S характеризуют технологический процесс (производственную сторону), толщина а и ширина среза b характеризуют в большей степени физическую сторону процесса съема припуска, связанную со стружкообразованием, распределением теплоты между деталью, стружкой и инструментом.

Возрастание составляющих сил резания Рх, Ру и Pz приводит к большему отжатию резца в направлении суммарной силы Р. Однако, как видно из рис. 31.1, а, точность обработанной поверхности (диаметр d) будет в большей степени зависеть от смешения резца в направлении у. Податливость системы в направлении х и z значительно в меньшей степени сказывается на точности диаметра d. Если физическую сторону процесса можно рассматривать в отрыве от станка, то производственную сторону технологического процесса (качество обработанной поверхности, производительность и экономичность) нельзя рассматривать вне взаимодействия узлов технологической системы.

Точность и стабильность той или иной операции во многом определяется взаимосвязью размеров соприкасающихся (контактирующих) поверхностей и деталей всей технологической систмы. Погрешность обработки в данном случае соизмерима с деформациями отдельных деталей этой системы и их стыков. Податливость же последних зависит от направления силового воздействия, как со стороны привода (внешнего силового воздействия), так и со стороны сил резания. Силы резания для замкнутой технологической системы являются силами внутренними. На рис. 31.2, б схематично показана размерная цепь замкнутой технологической системы, где обрабатываемый

Рис. 31.2. Взаимосвязь размера Ø = 2АΔ обрабатываемой заготовки с относительным расположением узлов системы

«станок - приспособление - инструмент - заготовка»:

АΔ- схема относительного расположения узлов; б - размерная цепь

диаметр (радиус) является замыкающим звеном АΔ = d/2. В зоне обработки (точка К) (рис. 31.2, а) обрабатываемая заготовка действует на инструмент с силой » инструмент действует на заготовку с силой . Здесь

Изменение соотношения сил P_z и Р_у приводит к изменению угла а, определяемому зависимостью а = arctg (Py/Pz)• Это означает, что сила Р_и меняет свое направление в пределах Здесь ), что приводит, в свою очередь, к изменению величины опрокиды­вающего момента М₀ относительно оси *₀ (точки О) неподвижной системы координат, связанной со станиной. Точка О расположена посередине левой направляющей в месте приложения реакции свя­зи со стороны направляющей. Как видно из рис. 31.2, а, максимальное и минимальное значения этого момента М₀^max = Р * h * а_mах и M₀^min = Р * h * a_min, где h * a_min и h * а_mах - расстояния от точки О до линии действия силы Р.

Значения вектора М₀ = OK х Р, записанного в координатной форме, дает следующее выражение:

x M₀ = Pyz_од-P_z(A₇-A₆). (31.1)

Формула (31.1) указывает на зависимость М₀ от наладочных параметров г_од, А₇, А₆ и их взаи­мосвязи со всеми промежуточными размерами цепи. Из рис. 31.2, б следует, что А_Δ+ А₇ - А₆ + А₅ + А₄ - Аз - А₂ –А₁ = 0. С учетом последнего соотношения выражение (31.1) примет вид

(31.2)

Как было сказано раньше, погрешность обрабатываемой детали (погрешность размера d = 2А_Δ) соизмерима как с погрешностями (допусками) составляющих звеньев А₁ – А_? так и с их деформациями, а также с деформациями их стыков.

Рассмотренные примеры указывают на то, что динамическая жесткость (податливость) техно­логической системы требует оценки взаимосвязи, изменения размеров составляющих звеньев в пространстве. При этом необходимо знать соотношение не только сил Р_х, Р_у, Р_z и перемещений вдоль осей х, у, z, но и соотношение между моментом и углом ф_а поворота всей системы относительно точки О (оси хо) (см. рис. 31.2). Как видно из этого рисунка, такой поворот вектора ОК во­круг точки О приводит к погрешности размера d – 2A_Δ не в меньшей степени, чем податливость в направлении оси у.

(31.3)

В практике измерение такой динамической крутильной жесткости технологической системы с учетом изменения ее во времени вызывает значительные трудности. Крутильная жесткость опреде­ляется соотношением

j₀₌ dM₀/dφ_α≈ΔM₀/Δφ_α≈

Момент М₀, согласно выражению (31.2), определяется не только соотношением сил Р_у и Р_z, но и размерами обрабатываемой детали и размерами составляющих звеньев технологической систе­мы. Исследование статистической зависимости момента Мо от угла φ_α поворота технологической системы вокруг точки О (оси дг₀) возможно, однако требует специального приспособления, позво­ляющего определить величину М₀, Нм, при одновременной фиксации угла ф_а, поворота в градусах или радианах.

Измерить зависимость деформации технологической системы станка в направлении оси проще.

Производственную сторону технологического процесса (качество обработанной поверхности, производительность и экономичность) нельзя рассматривать вне взаимодействия узлов технологи­ческой системы. Точность и стабильность операции определяется взаимосвязью размеров соприка­сающихся поверхностей и деталей системы.

В зоне обработки (точка К) действуют силы

P_u= ;

P_g= .

Изменение P_y и P_z приводит к изменению угла α = arctg (Py/Pz):

Жесткость в направлении оси jy (рис. 31.3, а): Крутильная жесткость у₀(рис. 31.3, б):

Рис. 31.3. Зависимости изменения жесткости: a-j, в направлении оси у; б – j₀ крутильной жесткости