Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология машиностроения. Точность механической обработки. Учебное пособие
.pdf
биение оси переднего центра по отношению к оси его хвостовика;
неточность по отношению к оси его хвостовика;
неточность посадки переднего центра в коническом отверстии
шпинделя.
Износ станков обусловливает увеличение систематических погрешностей обрабатываемых деталей. Это связано в первую очередь с тем,
что износ рабочих поверхностей станков происходит неравномерно, что
приводит к изменению взаимного расположения отдельных узлов станков, вызывающему возникновение дополнительных погрешностей обрабатываемых деталей.
Одной из важных
причин потери точности станков является износ
их направляющих. Неравномерный износ передней и задней направляющих вызывает наклон суппорта и смещение вершины резца в горизонтальной плоскости, непосредственно увеличивающие радиус обрабатываемой поверхности. Неравномерность износа направляющих по их
длине приводит к появлению систематической погрешности формы обрабатываемых деталей.
Оседание фундаментов продольно-
строгальных и продольно-фрезерных станков приводит к возникновению отклонений от прямолинейности направляющих станин длиной 8…11 м, достигающих 3…4 мм.
Искривление направляющих станины передается обрабатываемой детали и вызывает непрямолинейность и неплоскостность обрабатываемой поверхности.
2.2.3. Погрешности, связанные с неточностью изготовления
и износом режущего инструмента
В процессе резания инструмент непрерывно изнашивается. Причина
износа – трение режущих кромок о стружку и поверхность детали.
С течением времени износ прогрессирует. Результатом является постепенное изменение расстояния между режущей кромкой и установочной
(базовой) поверхностью детали. Появляется погрешность, равная величине износа при односторонней обработке, например, при строгании,
фрезеровании, и удвоенной
величине – при обработке цилиндрических
поверхностей (при точении, растачивании) [9].
Неточность режущего инструмента (особенно мерного инструмента
типа разверток, зенкеров, протяжек, концевых пазовых фрез и фасонного инструмента) во многих случаях непосредственно переносится на
обрабатываемые детали, обусловливая появление систематических
21
погрешностей формы и размеров обрабатываемых поверхностей. Однако в
связи с тем, что точность изготовления режущего инструмента на специальных инструментальных заводах или в инструментальных цехах машиностроительных заводов обычно достаточна высока, неточность изготовления инструментов практически мало отражается на точности изготовления деталей. Значительно большее влияние на точность обработки деталей
оказывают
погрешности режущего инструмента, связанные с его износом.
Износ режущего инструмента при работе на настроенных станках по
методу автоматического получения размеров приводит к возникновению переменной систематической погрешности обработки. При чистовой обработке деталей износ резцов происходит по их задней поверхности, что вызывает отдаление вершины от центра вращения детали на
величину радиального износа и соответствующее увеличение радиуса обточки (или уменьшение радиуса расточки). В соответствии с общими
закономерностями износа при трении скольжения в начальный период
работы инструмента, называемый периодом начального износа (участок I, рис. 2.7), 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.
Рис. 2.7. Зависимость износа инструмента U
Значения начального износа
ния
зависят от метода обработки, материалов режущего инстру-
L
н
от длины пути резания
и соответствующего ему пути реза-
U
н
22
мента и изделия, качества доводки режущих кромок инструмента, режимов и условий резания, а также от состояния технологической системы.
Второй период износа (участок II) характеризуется нормальным из-
носом режущего инструмента. Путь резания на этом участке может достигать
4
м. Участок II прямолинеен и проходит под небольшим
310
углом наклона к оси абсцисс.
Третий период износа (участок III) соответствует наиболее интенсивному катастрофическому износу, сопровождающемуся значительным выкрашиванием и поломками инструмента, недопустимыми при
нормальной эксплуатации инструмента.
Интенсивность размерного износа режущего инструмента на
участке II можно характеризовать тангенсом угла наклона (см.
рис. 2.7)
вать относительным износом
этого участка к оси абсцисс. Данную величину принято назы-
и определять его по формуле [4]
U
о
U
tg
UL
о
, (2.9)
где
– относительный износ, мкм/км; U – размерный износ режущего
U
о
инструмента, мкм; L – длина пути резания, мм.
Зная значения относительного износа
, соответствующего кон-
U
о
кретным условиям обработки, можно вычислить размерный износ режущего инструмента на длине пути резания L по следующей формуле:
UL
где
UU
U
– выражается в мкм/км; L – выражается в мм;
o
o
н
, (2.10)
6
10
U
– выражается
н
в мкм; U – выражается в мкм.
Для упрощения расчета величины размерного износа режущего инструмента и его учета на длине пути резания можно аппроксимировать
кривую размерного износа, представленную на рис. 2.7, прямой bb, сов-
падающей с кривой размерного износа на участке II и определяющей
значение дополнительного пути резания
точкой пересечения
L
доп
с осью абсцисс (см. рис. 2.7). Увеличив длину пути резания L на величину
, выражение (2.10) можно преобразовать в следующий вид:
L
доп
()
ULL
одоп
U
23
10
6
, (2.11)
где
L
доп
– дополнительный путь резания, м:
L
доп
для доведенных инструментов
для заточенных инструментов
в среднем дополнительный путь резания может быть принят
L
L
доп
доп
= 500 м;
= 1500 м;
= 1000 м.
2.2.4. Погрешности, обусловленные упругими деформациями
технологической системы от действия сил резания
и усилий закрепления
Силы резания, закрепления, инерционные силы, возникающие при
обработке на металлорежущих станках, передаются на упругую технологическую систему (СПИД – станок, приспособление, режущий инструмент, изготавливаемая деталь) и вызывают ее деформацию. Все это
приводит к изменению положения режущей кромки инструмента относительно детали.
Полученная деформация складывается из деформаций основных деталей системы, деформаций
стыков, деформаций соединительных деталей (например, болтов, клиньев и др.). Наибольшее влияние на величину
упругих деформаций системы, как правило, оказывают деформации
стыков и соединительных деталей.
При обработке каждой детали из партии сила резания изменяется изза колебаний припуска на обработку, нестабильности физико-механических свойств обрабатываемого материала, а также из-
за прогрессирую-
щего износа инструмента [5].
Разные силы резания при переменной жесткости технологической
системы вызывают разные упругие деформации (отжатия режущей
кромки инструмента от детали) и приводят при обработке деталей к образованию погрешностей формы и размеров.
Рассмотрим две схемы обработки цилиндрической детали на токарном станке: с закреплением в центрах (рис. 2.8, а
) и в трехкулачковом
токарном патроне (рис. 2.8, б).
Представленные схемы иллюстрируют возникновение упругих деформаций, а также обусловленных ими погрешностей формы детали
(бочкообразности – при обработке детали в центрах (рис. 2.9, а) и кону-
сообразности – при обработке детали в трехкулачковом патроне
(рис. 2.9, б).
24
а б
Рис. 2.8. Схемы обработки цилиндрической детали:
а – с закреплением в центрах; б – в трехкулачковом токарном патроне
Упругие деформации технологической системы в ряде случаев являются определяющими с точки зрения точности обработки, так как погрешности, обусловленные ими, могут достигать 20…80 % от суммарной погрешности изготовления.
а б
Рис. 2.9. Погрешности формы детали:
а – бочкообразность – при обработке детали в центрах; б – конусообразность – при
обработке детали в трехкулачковом патроне
Нестабильность сил резания (из-за колебаний снимаемого припуска
твердости материала даже в пределах обрабатываемой партии деталей)
обусловливает неравномерность упругих деформаций.
Для количественной оценки упругих деформаций технологической
системы используют понятия
жесткость и податливость.
Жесткостью системы называется способность системы оказывать
сопротивление деформирующим силам.
По А.П. Соколовскому [4, 8], жесткость технологической системы
определяется как отношение составляющей силы резания, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, к смещению режущей
25
кромки инструмента относительно обрабатываемой поверхности детали
y
Р
x
Р
y
j
в том же направлении.
Жесткость можно определить по формуле
dP
y
jdy
. (2.12)
С изменением нагрузки жесткость изменяется и поэтому на практике чаще всего определяют среднюю жесткость в диапазоне эксплуа-
тационных нагрузок от нуля до
P
.
maxy
Среднюю жесткость можно определить по формуле
P
y
j
, (2.13)
y
P
где
– составляющая силы резания, действующая по нормали к обраба-
тываемой поверхности; y – упругая деформация, вызываемая этой силой.
Необходимо отметить, что такой метод расчета жесткости (только
по
)yР
принят для упрощения расчетов, так как на деформации в
направлении нормали к обработанной поверхности оказывают некоторое влияние также и составляющие силы резания
и
z
. Действие
этих составляющих обычно учитывается тем, что практически при испытании жесткости нагружение системы производят силой, совпадающей по направлению с суммарной силой резания, хотя расчет жесткости
ведут только по составляющей
Р
.
Для упрощения технологических расчетов часто пользуются понятием податливости.
Податливость технологической системы – способность этой си-
стемы упруго деформироваться под действием прикладываемых к ней
внешних сил. Податливость является величиной, обратной жесткости,
определяется по формуле
1
. (2.14)
Исключительно большое значение жесткости при механической обработке привело к разработке ряда методик расчета и эксперименталь-
26
ной проверки жесткости отдельных составляющих технологической си-
P
y
x
P
y
y
Р
x
P
стемы.
Существует несколько методов определения жесткости металлорежущих станков или отдельных его узлов. Основными методами являются следующие:
статический (испытания на неработающем станке);
производственный (испытания при обработке заготовки специ-
альной формы).
2.2.4.1. Статический метод определения жесткости
Суть статического метода определения жесткости металлорежущих
станков состоит в том, что узлы станка с помощью специальных приспособлений и динамометра нагружают силой, воспроизводящей действие силы резания, и одновременно измеряют перемещение отдельных
узлов станка. Силы можно прикладывать в направлении действия одной
(,)yР
двух
(yР
и
и трех
)
z
(,
РР
и
z
составляющих силы реза-
)
ния. Перемещения узлов станка измеряются в направлении, нормальном
к обрабатываемой поверхности, так как эти перемещения имеют основное значение и почти полностью определяют погрешность обработки,
обусловленную упругими деформациями технологической системы.
При нагружении узлов станка силой, действующей в направлении
составляющей силы резания
Р
, по принятой в технологии машино-
строения терминологии определяется не жесткость, а коэффициент
жесткости J и соответственно коэффициент податливости W, а при одновременном нагружении силами, действующими в направлении двух
или трех составляющих силы резания, определяются жесткость станка
и его податливость.
Нагружение узлов станка силой, воспроизводящей действие только
одной составляющей силы
резания
Р
, хотя и упрощает испытание, но
в ряде случаев не отражает действительных условий работы станка.
На рис. 2.10 линиями 1-1 и 2-2 показаны траектории возможных поворотов суппорта с резцом под воздействием моментов, создаваемых
силами
и
z
соответственно.
Из рис. 2.10 видно, что суммарное перемещение y под воздействием
составляющих силы и моментов резания может быть отрицательным,
т. е. резец может врезаться в обрабатываемую заготовку. В этом случае
жесткость называется «
отрицательной». Явление «отрицательной»
27
жесткости используется при создании адаптивных систем управления
х
Р
у
Р
точностью, а также как средство борьбы с вибрациями.
Рис. 2.10. Возможные перемещения в технологической системе под действием
трех составляющих силы резания
В большинстве узлов металлорежущих станков составляющая силы
резания
, действующая в направлении подачи, оказывает незначи-
тельное влияние на жесткость, поэтому для упрощения испытания узел
станка нагружают силой, совпадающей с направлением равнодейству-
ющей лишь двух составляющих силы резания
Р
и
.
z
При определении жесткости станков на заводах (статическим методом) обычно узлы станка нагружают максимальной эксплуатационной
нагрузкой (в направлении
)уР
и фиксируют вызванные ею перемеще-
ния узлов станка. Жесткость узла станка в этом случае определяется по
формуле
P
max
y
где
Р
– максимальная эксплуатационная величина составляющей
maxy
j
, (2.15)
y
max
нагрузки, действующей в направлении, нормальном к обработанной поверхности;
– максимальное значение перемещения узла станка
y
max
в том же (нормальном) направлении.
При испытаниях узлы станка нагружают ступенчато постепенно возрастающей нагрузкой и одновременно регистрируют перемещение
в направлении y. Разгрузку производят в обратном порядке также с регистрацией перемещений.
28
По результатам испытания строят графики «нагрузка — перемеще-
y
Р
ние», откладывая по оси абсцисс значение нагрузки
, действующей в
направлении нормальной составляющей силы резания, а по оси ординат
– перемещения у, измеряемые в том же направлении, рис. 2.11.
Как правило, нагрузочная ветвь 1 графика не совпадает с разгрузочной ветвью 2; они образуют петлю гистерезиса. Площадь петли гистерезиса, образованной кривыми 1 и 2, характеризует работу, затраченную на
преодоление силы трения в стыках, контактные деформации и
силы собственного веса деталей.
Необходимо отметить, что из-за действия сил трения и зависимости
от нагрузки ветви графика (рис. 2.11) не являются прямой линией, и
жесткость на различных участках графика будет различной. Это представляет неудобства при расчетах.
Рис. 2.11. Упругие перемещения при статическом
определении жесткости:
1 – нагрузочная ветвь; 2 – разгрузочная ветвь;
3 – аппроксимирующая прямая
Для определения средней жесткости узла нагрузочную ветвь графика обычно строят прямой, т. е. опытную ломаную линию аппроксимируют линейной зависимостью.
Иногда нагрузочная ветвь графика «Нагрузка-перемещение» имеет
один или несколько выраженных перегибов. Это связано с тем, что
жесткость испытываемого узла имеет различные значения в различных
29
диапазонах нагрузки. В этом случае жесткость узла определяют на
отдельных участках (до точек перегиба) и получают два или несколько значений жесткости узла станка для отдельных диапазонов
нагрузки.
Далее, получив значения жесткости отдельных узлов, определяют
суммарную жесткость станка исходя из схемы действия сил резания на
узлы станка и суммирование перемещений отдельных
узлов, приведен-
ных к лезвию режущего инструмента (к зоне обработки).
Методом статического нагружения можно испытывать не только
жесткость станка в целом, но и жесткость отдельных соединений и стыков. Однако этот метод определения жесткости имеет существенные недостатки:
он сложен;
требует длительного испытания;
жесткость станка, определяемая в статическом состоянии, лишь
приблизительно характеризует упругие перемещения станка в процессе
работы.
Поэтому разработаны методы испытания станков в производственных условиях (в процессе обработки).
2.2.4.2. Производственный метод определения жесткости
Производственный метод позволяет определить жесткость технологической системы непосредственно при обработке детали и прогнозировать получаемую точность размеров.
Производственный метод основан на том, что при обработке заготовки с неравномерным припуском (изменяющаяся глубина резания t)
форма заготовки (эксцентричность, ступенчатость) копируется на обработанной поверхности (детали). Степень копирования тем больше, чем
меньше жесткость технологической системы (рис. 2.12).
При определении жесткости системы СПИД в производственных
условиях узлы станка нагружают ступенчато с постоянно возрастающей нагрузкой с одновременным измерением величины перемещения
узлов станка в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности.
При производственном методе определения жесткости заготовка обрабатывается с переменной глубиной резания, для этого удобно
использовать заготовку с наличием эксцентриситета. Глубина резания за половину оборота заготовки изменяется при этом от
t
min
до
max
.t
30
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]