Пособие надежность. Ч1

тельно вертикальной плоскости. Установка поворотных вкладышей 11 люнетов 2 и 4 в необходимое угловое положение производится по рискам, нанесенным на стойках и вкладышах по окружности их сопряжения. На торцах образцов по окружности нанесены делительные риски по 24 точкам (через каждые 15°). При выполнении исследования крайние шейки I и VII и образцов используются в качестве базовых. Для наглядного представления зависимости погрешности базирования от спектров отклонений формы базовых поверхностей, шейки I и VII образцов имеют сборную конструкцию. С помощью вкладышей и фольги на этих шейках симитированы отклонения формы по величине и фазе. Каждая пара шеек «II – VI», «III – V» и шейка IV обработаны шлифованием с установкой на люнетах по оптимальным схемам базирования, исключающим перенос отдельных гармонических составляющих с базовых шеек на обрабатываемые. Образцы аттестованы по некруглости базовых I и VII и промежуточных II…VI шеек с помощью кругломера «Талиронд-2». Путем обсчета полученных круглограмм по 24 точкам и по разработанной на основе гармонического анализа методике, получены спектры амплитуд и фаз гармонических составляющих реальных отклонений формы исследуемых профилей, с которыми сравнивались результаты исследования с помощью индикаторов. На рис. 2.31 представлены круглограммы и линейчатые спектры амплитуд отклонений формы базовых I и VII и промежуточной шейки IV образцов.

Исследования показали, что отклонения экспериментальных данных от расчетных на превышают 20 % при средней относительной погрешности 14 %.

7. Обоснование оптимальных схем базирования высокоточных деталей при механической обработке

В машиностроении применяются высокоточные детали, отклонения формы и взаимного расположения рабочих и опорных поверхностей которых оказывают большое влияние либо непосредственно на качество изготовляемой продукции, либо предопределяют надёжность отдельных сборочных единиц и

101

тонколистового. Отклонения формы и взаимного расположения поверхностей опорных шеек шпинделей металлорежущих станков оказывают влияние на точность и качество обрабатываемых поверхностей. Отклонения формы и взаимного расположения коренных и шатунных шеек коленчатого вала в значительной степени предопределяют надёжность двигателя и машины в целом.

Известно, что окончательная чистовая и отделочная обработка (шлифование, суперфиниширование и др.) прецизионных деталей класса валов производится с установкой на жёстких центрах или на неподвижных люнетах (призмах). Применение вращающихся центров на этих операциях исключается, так как их собственное радиальное биение передаётся в спектр отклонений формы и расположения обрабатываемых поверхностей. Однако при изготовлении прецизионных деталей с установкой на жёстких центрах трудно обеспечить высокую точность формы обрабатываемых поверхностей, так как центровые отверстия, как правило, произвольно расположены относительно геометрической оси детали и имеют собственные отклонения формы. Перекос осей центровых отверстий вызывает дополнительные погрешности обработки, которые проявляются как эллипсность. Особенно эта проблема усложняется при обработке крупногабаритных деталей большой массы (валков прокатных станов, роторов турбин, генераторов и др.). Фактическая площадь контакта пары «центровое отверстие – центр» всегда меньше номинальной (кажущейся) поверхности соприкосновения. На степень дискретности и расположения контакта «пары центровое отверстие – центр», кроме погрешностей формы сопрягаемых поверхностей, оказывают большое влияние упругие перемещения переднего и заднего центров и точность взаимного расположения центровых отверстий и центров. Так при несовпадении осей центровых отверстий и центров возникает их кромочное касание. Так как реальная площадь контакта поверхностей центра и центрового отверстия мала, а контактные давления велики, то смазка либо выдавливается, либо смазочная плёнка недолговечна, быстро изнашивается и

103

происходит сухое трение. При этом шероховатость поверхностей и точность формы центровых отверстий и центров ухудшается, прогрессивно увеличивается сила трения, нарушается плавность вращения, что в свою очередь порождает погрешности формы обрабатываемых поверхностей как в поперечном (некруглость), так и в продольном направлениях (нецилиндричность).

Таким образом, в местах контакта сопряжённых поверхностей центра и центрового отверстия в процессе обработки будут действовать непрерывно изменяющиеся силы трения и контактные напряжения. Компенсирование этих изменений представляет весьма сложную задачу из-за значительной инерционности масс соответствующих узлов станков и отсутствия данных о закономерностях этих изменений.

Перспективным направлением в построении операций технологических процессов механической обработки высокоточных деталей является базирование заготовок с установкой на неподвижных люнетах или призмах по оптимальным схемам. На рис. 2.32, 2.33 представлены принципиальные схемы базирования детали при токарной обработке и шлифовании, принятые как оптимальные с целью минимизации в спектре отклонений формы обрабатываемой поверхности эллипсности. Основными параметрами базирования представленных схем являются углы расположения ψ и α опорных элементов люнетов и линии контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. При этих схемах базирования заготовку свободно устанавливают базовыми шейками на опорные элементы центрирующих люнетов, а вращение передаётся посредством поводкового устройства, исключающего влияние радиального биения шпиндельного узла станка на точность обрабатываемых поверхностей. В качестве таких устройств могут применяться шарнирные поводки различных конструкций, гибкие валы, кулачки плавающей планшайбы. В осевом направлении вал может фиксироваться шаровыми самоустанавливающимися упорами. Тенденция в развитии данного способа базирования заготовок при механической обработке

104

актуальна для многих предприятий машиностроительного производства при изготовлении высокоточных деталей типа прокатных валков, роторов турбин, генераторов, шпинделей станков, коленчатых валов двигателей и компрессоров и др.

Рис. 2.32. Принципиальная схема базирования при токарной обработке на сдвоенных люнетах с целью минимизации эллипсности в спектре отклонений формы обрабатываемой поверхности (технологический переход – обтачивание базового пояска под опорные элементы парного люнета): 1 – поводковое устройство; 2, 4 – сдвоенные люнеты; 3 – вал; 5, 7 – шаровые упоры; 6 – резец

Рис. 2.33. Принципиальная схема базирования при шлифовании с целью минимизации эллипсности в спектре отклонений формы обрабатываемой поверхности: 1 – шарнирный поводок; 2, 5 – люнеты; 3 – шлифовальный круг; 4 – вал

Теоретическими и экспериментальными исследованиями установлено,

что изменения текущего радиуса-вектора ∆RP (ϕi , yP ) поверхности,

105

обрабатываемой при базировании заготовок на неподвижных люнетах или призмах подчиняются общей закономерности

составляющих спектров отклонений формы профилей опорных сечений левой и правой базовых поверхностей; ϕi – текущий угол (радианы или угловые градусы), т. е. угол поворота радиуса-вектора относительно выбранного начала отсчёта; yp – продольная координата (мм) от среднего сечения опорной поверхности левой базовой шейки до рассматриваемого поперечного сечения обрабатываемой поверхности; L – расстояние (мм) между средними сечениями опорных поверхностей левой и правой базовых шеек; Kk и εk –

соответственно функция передаточных коэффициентов и составляющая угла (радианы или угловые градусы) сдвига фазы изменения k-ой гармоники, определяемые углами расположения ψ и α опорных элементов люнетов или граней призм и линии контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью.

В основе этой закономерности лежит микропроцесс переноса спектров амплитуд и фаз гармонических составляющих отклонений формы базовых поверхностей на обрабатываемые в зависимости от углов ψ и α расположения опорных элементов люнетов или граней призм и линии контакта режущего инструмента с обрабатываемой поверхностью. В рассматриваемых схемах обработки применяются люнеты с жёсткими опорными элементами в виде башмаков или вкладышей. В случае применения вращающихся роликовых опорных элементов люнетов при токарной

106

обработке на точность формы обрабатываемых поверхностей дополнительное влияние оказывают спектры радиального биения опорных роликов.

Анализ уравнения (2.19) показывает, что k −àÿ гармоническая составляющая отклонений формы базовых поверхностей не передается на обрабатываемую поверхность если функция передаточных коэффициентов

Kk = 0 .

Путём наложения ограничений на область изменения параметров ψ и α

коэффициентов для k-ых гармонических составляющих принимает нулевое значение. В табл. 2.5 приведены значения углов ψ и α , при которых функция

107

Следовательно, только при определённых сочетаниях параметров ψ и α исключается перенос отдельных гармонических составляющих отклонений формы с базовых поверхностей на обрабатываемые. Поэтому понятие оптимальной схемы базирования при обработке с установкой на неподвижных люнетах или призмах необходимо рассматривать в тесной связи с исходными спектрами отклонений формы базовых поверхностей. В зависимости от исходных спектров отклонений формы поверхностей установочных баз, для обеспечения повышенных функциональных требований, предъявляемых к точности формы обрабатываемых поверхностей, по ходу технологического процесса могут быть последовательно применены несколько схем базирования, оптимальных для исключения переноса доминирующих по амплитудам гармоник.

Приведённые в табл. 2.5 сочетания параметров ψ и α не все практически и равноценно осуществимы. Поэтому целесообразно из всей совокупности сочетаний параметров ψ и α , при которых исключается перенос определённых гармонических составляющих, отобрать наиболее приемлемые по практическому осуществлению и выбирать оптимальные схемы базирования в зависимости от спектров отклонений формы базовых поверхностей из числа наиболее приемлемых.

Статистические исследования спектров амплитуд и фаз отклонений формы установочных базовых поверхностей деталей классов валов и втулок показали, что их макрогеометрические погрешности можно с достаточной для практических целей точностью аппроксимировать суммой гармонических составляющих 2-, 3- и 4-го порядков, относительное распределение амплитуд которых A2 : A3 : A4 соответствует диапазону от 1,0 : 0,5: 0, 4 до 1,0 : 0, 4 : 0, 2 .

На их долю приходится до 80 % дисперсии результирующих отклонений формы. Отклонения поперечной формы основных поверхностей валов и втулок после чистовых токарных операций, в том числе и после тонкой обработки резцами из сверхтвёрдых материалов (СТМ) – «Эльбор – Р» и

108

«Гексанит – Р», также можно аппроксимировать суммой этих гармоник, доминирующей среди которых является эллипсность.

Проведёнными исследованиями доказано, что для минимизации в спектрах отклонений формы обрабатываемых поверхностей амплитуд гармонических составляющих 2-, 3- и 4-го порядков оптимальными являются соответственно следующие схемы обработки: «ψ = 900 , α =1350 »; «ψ =1200 ,

расположении опорных элементов люнетов относительно вертикальной плоскости и горизонтальном расположении линии контакта режущего инструмента.

На рис. 2.34, 2.35 представлены круглограммы и линейчатые спектры амплитуд исходных базовых поверхностей шеек I и VII , образцов трёх типов «А», «Б» и «В», и шеек IV после шлифования по трём исследуемым схемам базирования на универсальном заточном станке модели 3В642 с установкой на люнетах специальной конструкции. Все образцы имели семь шеек для последовательной смены схем базирования. У образцов типов «А» и «Б» первая и седьмая шейки выполнены сборной конструкцией. С помощью вкладышей и фольги на этих шейках имитировали отклонения формы по величине и фазе. В экспериментальных исследованиях первая схема базирования характеризовалась углами расположения ψ =900 и α =1200 .

Указанная схема базирования была принята с отклонениями от оптимальной

ψ =900 и α =1350 , так как станок модели 3B642 по своим технологическим возможностям за счёт наибольшего подъёма шлифовальной головки и

указанных схем базирования и, соответственно, установочных баз в спектрах отклонений формы обрабатываемых поверхностей минимизируются также

109