Глава VI.

ИССЛЕДОВАНИЯ, НАПРАВЛЕННЫЕ НА ПОВЫШЕНИЕ

ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ УНИВЕРСАЛЬНО-СБОРНОЙ

ПЕРЕНАЛАЖИВАЕМОЙ ОСНАСТКИ

Исследования имеют цель дать обоснование выбора оптималь­ных конструктивных параметров отдельных элементов деталей и сборочных единиц УСП, оснастки, длительное время применяю­щейся в промышленности, и комплекса УСПО — ныне создавае­мого оснащения, а также технологических и эксплуатационных характеристик компоновок указанных видов оснастки. Они позво­ляют установить закономерности и выявить факторы, наиболее эффективно влияющие на повышение точности, производитель­ности и экономичности обработки деталей в приспособлениях. На основе установленных в результате исследований закономер­ностей определены направления совершенствования конструкций элементов оснастки, расширяющие их технологические возмож­ности и повышающие их эффективность.

Методы исследования УСП были использованы для отработки конструкций общемашиностроительного комплекса УСПО. В связи с разработкой этого комплекса возникли новые требования и задачи. Но опыт исследований оснастки многократного приме­нения, которая длительное время находится в эксплуатации, имеет большее практическое значение.

Исследования и выбор конструктивных вариантов УСП осу­ществлялись путем сопоставления УСП-12, которая в течение многих лет находилась в эксплуатации, и УСПК-16, которая предназначается для более точной и производительной обработки деталей. При исследовании компоновки нагружались силами, моментами и режимами резания, соответствующими условиям работы, для которых создается оснастка.

Исследования конструктивных элементов

Проведенные исследования показали, что в общем балансе жесткости универсально-сборного приспособления свыше 60% определяется жесткостью базовой плиты. Для уменьшения массы и обеспечения собираемости базовых плит между собой они имеют снизу выборки (карманы). Для обработки деталей больших раз­меров основание приспособления (каркас) выполняется сборным,

153

1 2 3 4. 5 1 2 , 3 f S Варианты конструкций, плит

*) *)

|_г—-jjj—-П Рис 73. Диаграмма деформаций плит кон-ttj4tij структивных вариантов

1—5 под действием силы Р и распорных на­грузок: 1 и 4 — типа I, 2 и 5 для типа Н с приложением нагрузки по оси а—а (см. рис. 72), 3 и 6 — то же, по оси б — б.

Рис. 72. Базовые плиты типа I (а) и типа II (б):

/ — без выборок; 2-е двумя и тремя ребрами жесткости соответственно; 3 — с умень­шенной толщиной боковых стенок (40 мм); 4 — с одним ребром жесткости; 5 _ с про­резанными Т-образными пазами

состоящим из нескольких плит. Жесткость такого каркаса опре­деляется не только жесткостью входящих в него плит, но также его конструкцией и способом закрепления на столе станка. С целью выбора оптимального варианта конструкции базовых плит было изучено влияние карманов и пазов на жесткость этих плит.

Для выбора оптимального варианта конструкции были про­ведены экспериментальные исследования с использованием метода тензометрирования на объемных моделях. Модели плит были выполнены из органического стекла с модулем продольной упру­гости Е = 2300 МПа в масштабе 1 : 2 по подобию натурных плит. Для изучения влияния выборок плит разных размеров и кон­струкций на их жесткость были изготовлены модели плит габа­ритных размеров 240x480x90 (тип I) и 360x360x90 (тип II), каждая из которых испытывалась в пяти вариантах (рис. 72). Изменение конструкции моделей плит от первого до пятого ва­риантов проводилось по мере испытания каждого варианта. Относительные деформации со/сох (рис. 73, а) определялись для схемы нагружения с приложением сосредоточенной силы Р. Деформации в модели плиты (вариант 1, без выборок) обозначены через «ь а в моделях плит (вариант 2—5, с выборками) через ю. По результатам испытаний построена диаграмма для пяти кон­структивных вариантов 1—5 плит типов I и II.

Из диаграммы видно, что при уменьшении числа ребер жест­кости в плите типа I с двух и в плите типа II с трех на одно (ва­риант 4) жесткость уменьшается соответственно в 3,85 и 3,6 раза по сравнению с жесткостью цельной плиты. Уменьшение тол-154

a) «)

Рис. 74- Схема испытания (а) общей деформа­ции плиты типа II (б)

Рис. 75. Диаграмма общей дефор­мации плиты типа II вариантов 2 и 4:

J и 3 — для сечения Б — Б (см. рис. 74); 2 и 4 — для сечения А—А

щины боковых ребер жесткости в плитах типа I и II с 46 до 40 мм уменьшает жесткость соответственно на 11 и 3%. Замена шпо­ночных пазов на Т-образные в плитах типа I и II снижает жест­кость плит соответственно на 4 и 8%. Самую высокую жесткость имеют плиты без выборок. В случаях, когда выборки нужны для собираемости базовых плит, лучшим признан вариант 2.

С целью получения фактических величин деформаций от из­гиба модели плит испытывали при нагружении их изгибающим моментом. Испытывали плиты типа I и II в пяти вариантах каж­дая, свободно лежащие и с защемлением по углам. По резуль­татам испытаний построена диаграмма деформаций со по центру плит от изгиба (рис. 73, б). Из этой диаграммы видно, что при закреплении исследуемых типов и вариантов плит жесткость их увеличивается в 3 раза по сравнению с жесткостью свободно лежащих плит. Квадратная плита типа II с тремя ребрами жест­кости (варианты 2 и 3) и сплошная (вариант 1) обладают равно-жесткостью по осям а—а и б—б (см. рис. 72). Плита типа II с одним ребром жесткости (варианты 4 и 5) по оси б—б соответ­ственно в 1,6 и 1,4 раза имеет большую жесткость, чем по оси а—а. Такая плита неравножесткая.

Для изучения влияния местных ослаблений в определенных точках плиты на общую деформацию были исследованы плиты типа II. На плите / (рис. 74) устанавливали и крепили двумя болтами 2 опору 3 размером 90x120x120 мм. Опору в процессе испытания переустанавливали на плите через каждые 60 мм. Де­формация определялась для случаев направления приложения силы Q = 20 000 Н вдоль осей a—a и б—б. Деформация плит измерялась микроиндикатором 4, который устанавливался на расстоянии 5 мм от опоры со стороны действия силы Q. При про­ведении испытаний плита закреплялась по углам четырьмя при­хватами 5 с осевой силой затяжки в каждом болте по 80 000 Н. По результатам испытаний построена диаграмма деформаций плиты (рис. 75) типа II для сечений А—А и Б— Б (рис. 74, б),

155

для которых деформации были наибольшими. Анализ диаграммы (см. рис. 75) показывает, что в плите размером 360x360x90 мм с одним ребром (см. вариант 4 на рис. 72) деформация по мере перемещения опоры с одного края плиты к другому увеличивается по сечению Б—Б (см. рис. 74) с 0,012 до 0,040 мм и по сечению А—А с 0,010 до 0,028 мм. В плите с тремя ребрами жесткости (вариант 2 на рис. 72) деформация по сечениям А—А и £—Б (см. рис. 74) изменяется в пределах 0,002—0,004 мм, что удовлет­воряет требованию к плитам УСПК.

По результатам исследований сделаны некоторые практиче­ские рекомендации. При проектировании базовых плит с целью уменьшения местного выпучивания необходимо стремиться к уменьшению размеров карманов, а ребра жесткости распола­гать ближе друг к другу и, по возможности, на одной оси с Т-об­разными пазами или в непосредственной близости от них. Край­ние Т-образные пазы следует располагать не ближе 60 мм от боковых поверхностей плит.

Для обеспечения равножесткости базовых плит общая тол­щина сечений ребер во взаимно перпендикулярных направлениях должна быть одинаковой. Если в одном направлении число^ребер жесткости меньше, чем в другом, то ребра следует делать усилен­ными. В соответствии с этим следует назначать и размеры кар­манов.

Для обработки деталей больших размеров основание приспо­собления (каркас) выполняется сборным, состоящим из двух и более плит, которые соединены между собой планками и другими соединительными элементами. С целью определения оптимальных вариантов соединения элементов в сборном основании и их за­крепления на стендах были исследованы цельные плиты длиной 480 мм и каркасы длиной 480, 1080 и 1800 мм, в которых плиты соединены встык, соединительными планками, планками и про-ставками (или облегченными опорами).

Схема испытания и варианты конструкций каркасов и цель­ных плит размером 240x480 мм, свободно лежащих и закреплен­ных, показаны на рис. 76. По результатам исследований построен график сравнительных деформаций плит (рис. 77). Из графика видно, что установка соединительных планок (вариант 6) умень­шает деформацию плиты в 2 раза. Если плиты соединены только

планками (вариант 4), то де- ш,ин формация такого каркаса на 5—10% меньше деформации цельной плиты. Деформации цельной плиты при ее закреп- 5 лении двумя прихватами посе­редине плиты уменьшается в 7—9 раз, а при закреплении четырьмя прихватами (по четы- 005 рем углам каркаса) в 2,5—3,8 '

раза.

Анализ результатов иссле- о

дований трех типоразмеров кар- Рис 77 Сравнительная деформация касных оснований показал еле- цельных и стыкованных плит длиной дующее. Крепление плит встык 480 мм (обозначения кривых соответст-

вуют вариантам конструкций на

500

1500

2500М,Н-н

вуют^ вариантам

конструкций на

Рис. 76. Схема испытания (а) и варианты конструкций каркасов (б): / — стендовая плита; 2 — упор; 3 — динамометр; 4 — прижим; 5 — каркас

156

и применение проставок в каче-стве соединительных элементов мало повышает жесткость сбор­ных оснований. Уменьшению деформаций способствует примене­ние соединительных планок большего сечения. Значительное влияние на жесткость и точность сборных оснований оказывает число применяемых прижимов и правильный выбор места при­ложения зажимной силы. Малые каркасные основания следует крепить прихватами в средней их части, а каркасы большой длины — с установкой прихватов на каждую плиту.

Наибольшую жесткость из исследуемых плит имеют цельные плиты. Увеличением числа креплений можно компенсировать потерю жесткости от соединения нескольких плит в каркасные основания. При закреплении каркасных оснований число вхо­дящих в него плит почти не влияет на отклонение от плоскост­ности сборных оснований. При закреплении каркасных основа­ний на столе станка точность сборного каркаса определяется плоскостностью стола станка.

Жесткость и виброустойчивость компоновок, производительность обработки

В процессе эксплуатации компоновки УСПК испытывают нагрузки, величина и направление которых могут измениться в широких пределах в зависимости от вида обработки, режимов резания, заточки режущего инструмента и т. д. По характеру эти нагрузки могут быть статическими, динамическими и удар­ными. Кроме того, в процессе резания возникают вибрации. При недостаточной жесткости компоновок возникающие деформации и вибрации способствуют занижению режимов резания или при­водят к прекращению обработки. В связи с этим была поставлена задача исследования возможности обработки в типовых компо-

157

новках УСПК с режимами резания, обеспечивающими высокую производительность, изучения влияния числа стыков, силы за­тяжки резьбовых соединений и других факторов на жесткость и виброустойчивость, определения возможности применения ком­поновок УСПК с точки зрения жесткости, виброустойчивости, а также использования металлорежущих станков по мощности. Для выполнения исследований были изготовлены образцы (заготовки) и собраны для их обработки типовые компоновки УСПК и УСП для токарных, фрезерных, строгальных и свер­лильных работ. Исследования велись методом статического на-гружения, который позволяет с учетом различных факторов с достаточной точностью сделать сравнительную оценку иссле­дуемых компоновок. Точки приложения и направление нагрузок устанавливали исходя из условий обработки на станке. Нагрузку при испытаниях создавали винтовым прижимом и контролиро­вали динамометрами. Деформации замеряли индикаторами часо­вого типа. Проводились испытания четырех вариантов компо­новок УСП и УСПК для фрезерных работ: с опорами (исполне­ние 1), с угольниками (исполнение 2) с четырьмя колонками из опор (исполнение 3), с повернутыми на 90° колонками (испол­нение 4), а также компоновок для сверлильных и токарлых работ (рис. 78). При сравнении жесткости типовых компоновок УСПК и УСП было определено, что компоновки УСПК для сверлильных, фрезерных и токарных работ имеют жесткость соответственно в 1,7—1,8; 2,1—2,7 и 2,5—3 раза больше, чем компоновки УСП, собранные для обработки таких же деталей. Компоновки для

Исполнение 1

Исполнение 2

) )

Рис. 78. Типовые компоновки УСПК и УСП для фрезерных (а), сверлильных I

(б) и токарных (в) работ ..■£■

158 =?

У. мм

■ 0,2\-------

6,1

200

						ЗАВ
		J		Л

600 Q.H

S)

Рис. 79. Варианты (а) конструкций кондукторных компоновок, их деформации ((/) под действием силы Q (б) (обозначения кривых соответствуют вариантам кон­струкций)

сверлильных работ имеют меньшую жесткость, так как нагрузка на кондукторную компоновку направлена параллельно плоско­стям стыков между опорами, что вызывает сдвиг последних отно­сительно плиты. Это перемещение происходит за счет выбора за­зоров в шпоночных соединениях и перекоса шпонок в пазах и составляет для одного стыка 0,10—0,12 мм, или 14—16% от об­щей деформации компоновки. Деформация (изгиб) кондуктор­ной планки составляет 37—40% от общей деформации компоновки, что не позволило обеспечить необходимую точность межцентро­вых расстояний.

С целью нахождения способов повышения жесткости компо­новок для сверлильных работ и, следовательно, точности обра­ботки были исследованы различные варианты конструкции (рис. 79, а). Как видно из графика (рис. 79, б), соединение кон­дукторных планок соединительной планкой, связанной уголь­ником или другим элементом с плитой (вариант 7), увеличивает жесткость по сравнению с вариантом 1 в 10 раз. При отсутствии дополнительной связи (угольника или опоры) жесткость по срав­нению с вариантом 1 увеличивается в 3—3,5 раза (вариант 5). Применение специальных шпонок с посадкой js6, установленных в Т-образных пазах соединяемых опор и плиты (вариант 2), умень­шает деформацию кондукторной компоновки по сравнению с ва­риантом 1 всего на 25%.

Анализ результатов исследований показал, что для увеличе­ния жесткости компоновок при сверлильных работах необходимо:

159

набирать колонки под кондукторную планку с меньшим числом стыков; для предотвращения неблагоприятного влияния консоль­ной обработки обеспечить жесткое соединение кондукторных планок между собой с базированием на опору, устанавливаемую на базовой плите; применять шпоночные соединения по посадке js6; увеличить жесткость кондукторных планок и разработать нераз­борную кондукторную сборочную единицу, у которой умень­шено число шпоночных соединений и стыков в плоскости дей­ствия крутящего момента, вызывающего сдвиг элементов и по­терю точности.

Исследование влияния числа стыков на жесткость показало, что жесткость компоновки УСПК-1 для фрезерных работ (см. рис. 78, а) при числе стыков п = 2 составляет 100 000 Н/мм; с увеличением числа стыков до трех-четырех жесткость умень­шается на 5 и 10% соответственно. Компоновка для фрезерных работ УСП-1 при п = 2 имеет жесткость 50 000 Н/мм, при числе стыков 3 и 4 эта жесткость соответственно уменьшается на 8—10 и 17—19%.

Одним из основных факторов, влияющих на жесткость компо­новок, является также сила затяжки резьбовых соединений. Если эта сила будет недостаточна, то компоновка может потерять свои первоначальные размеры также вследствие появления оста­точных деформаций. Сила затяжки при исследовании создава­лась равной 40 000, 60 000 и 80 000 Н. С изменением силы затяжки с 80 000 до 60 000 Н жесткость компоновки уменьшилась на 12— 18%. При дальнейшем уменьшении силы затяжки (до 40 000 Н) жесткость компоновки уменьшилась на 4%.

В значительной степени жесткость компоновки определяют ее конструкцией, видом обработки и другими факторами. Для сравнения были изучены компоновки для фрезерных и строгаль­ных работ в нескольких конструктивных вариантах (см. рис. 78, а—з). Исследования деформаций в условиях статиче­ского нагружения показали, что установка дополнительно двух угольников 90x120x180 мм (см. рис. 78,6) увеличивает жест­кость компоновки УСПК-1 с 100 000 Н/мм до 170 000— 180 000 Н/мм т. е. в 1,7—1,8 раза. Если вместо двух колонок из опор установить четыре (см. рис. 78, в), то жесткость компоновки увеличится в 1,2—1,25 раза. Компоновка УСПК-4, в которой колонки из опор повернуты на 90°, имеет жесткость 190 000— 210 000 Н/мм, т. е. в 2—2,1 раза больше, чем компоновки УСПК-1, что объясняется большим моментом инерции сечения опор и по­вышенной устойчивостью опор за счет изменения расположения крепежных болтов.

Для сравнительной оценки УСП были изучены компоновки трех вариантов: УСП-1, УСП-2 и УСП-3. Наименьшую жесткость имеет компоновка УСП-1 (50 000 Н/м). При установке двух уголь­ников (УСП-2) жесткость возрастает в 1,6—1,8 раза, а при уста­новке четырех опор (УСП-3) в 1,5 раза. Жесткость компоновок

160

УСПК и УСП при фрезерных работах в условиях статического нагружения значительно отличается друг от друга. Так, компо­новка УСПК-1 имеет жесткость в 2 раза больше, чем подобная ей по конструкции компоновка УСП-1.

Анализ различных конструктивных вариантов компоновок для обработки одних и тех же деталей позволил разработать рекомендации по повышению их жесткости. В направлении дей­ствия наибольшей составляющей силы резания элементы сборной оснастки следует располагать таким образом, чтобы силе резания или закрепления противостоял наибольший момент инерции сече­ния опор. За счет изменения расположения крепежных болтов можно повышать устойчивость блоков. В связи с этим в состав комплекта целесообразно вводить опоры с большим числом отвер­стий, что позволит осуществлять закрепление блоков сразу не­сколькими болтами.

Для более полной оценки жесткости была исследована большая группа компоновок, предназначенных для различных видов меха­нической обработки. Как показали исследования, жесткость компоновок УСПК находится в пределах 100 000—350 000 Н/мм, а компоновок УСП — в пределах 50 000—150 000 Н/мм, т. е. первые имеют жесткость в 2—2,3 раза больше, чем вторые. Это объясняется большей жесткостью элементов УСПК, меньшей податливостью их резьбовых соединений и применением в шпо­ночном соединении посадки js6 по 6-му квалитету.

При работе на станке нагрузка, воспринимаемая компонов­кой, носит динамический характер. Оценить жесткость компоно­вок в этом случае методом статического нагружения невозможно, так как силы резания при обработке и, следовательно, величины едформаций будут отличаться от значений, полученных при ста­тическом приложении нагрузки. Поэтому исследования выпол­нялись путем обработки деталей в компоновках УСПК и УСП на металлорежущих станках.

Для регистрации перемещений и вибраций были использованы тензостанция ТА-5, осциллограф Н-700 и датчик перемещений (виброщуп). Для определения фактической силы резания на резец был наклеен тензодатчик.

Эксперименты при фрезеровании выполнялись на станке 6Г610, режущий инструмент — фреза диаметром 200 мм, число зубьев z = 8 с напаянными твердосплавными пластинами. Исследования компоновок при строгании выполнялись на поперечно-строгальном станке 7М37, резцом с ю = 45° и V = 10°.

Одним из основных факторов, определяющих работоспособ­ность оснастки, является виброустойчивость. Так, при строгании, когда сечение стружки 5 мм2, что соответствует силе резания ^г = 17 ООО-т-18 000 Н, амплитуда вынужденных колебаний А в компоновке УСП-1 достигает больших значений (0,8—1 мм) и не позволяет вести обработку. В компоновке УСПК-1 значе.

А. С. и др.

161

у,мн

		УСП-1 ,	1
0,4
		ж	2 , УСПК	-1
0,2	/		h
	У/<		SeS=	-о
0			Ч 5	В

1

а)

у,нм_

0,04 0,02

7 s,MM О

	ф
УСП-1 j	г 1/ 1 УСПК

10 t.MM

Рис. 80. Деформации компоновок УСПК-1 и УСП-1 при строгании (а) и зеровании (б) в зависимости от режима резания и числа стыков га: I

/ и 4 — для п = 4; 2 и 5 — п — 3; 3 и 5 — я = 2 я -

ние Л при подаче s = 0,75 мм'дв. ход, глубине резания t = 13 мм и силе резания Рг — 31 000 Н не превышает 0,1 мм, что позволяет назначать более высокие режимы резания без опасности появ­ления вибраций.

Деформация компоновок характеризуется также величиной смещения Y (рис. 80), которая зависит от силы резания Рг. При строгании каждый дополнительный стык увеличивает дефор­мацию на 15—20 и 25—30% (с учетом собственной деформации плиты) для УСПК-1 и УСП-1 соответственно. Величина Y для компоновки УСПК-1 в 2,5 раза меньше, чем для компоновки УСП-1, и составляет 0,18 мм при п = 3 и s X t = 0,75 X 10 мм2. При фрезеровании величина Y не зависит от числа стыков, а изменяется только от глубины резания и не превышает 0,024 мм (при t = 13 мм и Рг = 13 000 Н) для УСПК-1 и 0,054 мм (при / = 8 мм и Pz = 4200 Н) для УСП-1. Увеличение глубины резания свыше 8 мм при исследовании компоновки УСП-1 приводило к появлению значительных вибраций, т. е. к увеличению величины А, из-за чего обработки детали пре­кращали.

Вибрации, возникающие при обработке деталей в компонов­ках УСПК-1, не превышали 0,15 мм при строгании и 0,05 мм при фрезеровании. Для УСП эти вибрации составили 0,8 и 0,22 мм соответственно, т. е. в 4—5 раз больше, чем для УСПК. В первом случае полностью сохранялась работоспособность независимо от режимов резания, во втором случае, даже при Рг в 2 раза меньше, чем при обработке в УСПК, появлялись большие вибрации, не позволяющие вести обработку.

При исследовании различных вариантов компоновок в усло­виях динамического нагружения было установлено, что наиболь­шую жесткость имеет компоновка УСПК-4, деформация которой в 2—2,5 раза меньше, чем деформация компоновки УСПК-1-Хорошие результаты дает также установка угольников (УСПК-2). В компоновках УСП установка дополнительно угольников или

162

опор хотя и повышает жесткость, но тем не менее деформации этих компоновок в 1,8—2,2 раза больше, чем деформация подоб­ных компоновок УСПК-

' Для определения критерия работоспособности и виброустой­чивости универсально-сборочных приспособлений были изучены в условиях обработки на станках типовые компоновки (см. рис. 78). Исследования компоновок, проведенные на строгальных и фрезер­ных станках, показали, что частота вынужденных колебаний для компоновок УСПК-1 составляет 400—200 Гц и зависит от их собственной жесткости, числа стыков и силы затяжки резьбовых соединений. Так, с изменением числа стыков от двух до четырех частота уменьшается с 380—360 до 330—300 Гц, т. е. стыки ока­зывают относительно небольшое влияние на виброустойчивость. Для УСП-1 частота составила 180—140 Гц, что примерно в 2 раза меньше, чем для УСПК-1.

На виброустойчивость влияет также момент затяжки резьбо­вых соединений. С уменьшением момента затяжки от 250 до 140 Н- м частота колебаний компоновки УСПК уменьшается с 380—360 до 360—320 Гц. Поэтому при сборке приспособлений, которые должны работать в условиях действия значительных нагрузок, нужно ставить больше болтов и затягивать резьбовые соединения с оптимальной силой (в данном случае — порядка 80 000 Н). При недостаточной виброустойчивости работоспособность при­способлений понижается. При выполнении экспериментов на строгальном станке компоновки УСП-1, УСП-2 и УСП-3 оказы­вались неработоспособными при глубине резания t = 10 мм и подаче s = 0,75 мм/дв. ход, а на фрезерном станке — при t = — 8 мм и s = 130 об/мин. Компоновки УСПК при максимальных режимах резания, обеспечивающих стойкость режущего инстру­мента и использование станка по мощности, полностью сохра­нили свою работоспособность.

Для оценки жесткости компоновок в условиях динамического нагружения и установления связи с жесткостью в условиях ста­тических нагрузок фактическое значение силы резания опреде­ляют с помощью тензодатчика, наклеенного на резец. По резуль­татам проведенных исследований компоновок УСП-1, УСПК-1 и УСПК-4 построен график сравнения динамического и стати­ческого нагружения (рис. 81). Приращение деформации от на­грузки Рг в условиях динамического нагружения, так же как и в условиях статического нагружения Q, носит линейный харак­тер. Жесткость компоновок в условиях динамического нагруже­ния в 1,2—1,7 раза выше жесткости при статическом нагружении этих компоновок. Это объясняется влиянием инерции массы ком­поновки и действием изменяемой по времени величины и направ­ления прилагаемой нагрузки.

Исследованиями доказано также, что с увеличением жест­кости в условиях статического нагружения /ст компоновок отно« шение /дин уменьшается и приближается к единице (/дин — жест-

6*

163

кость в условиях динамического нагружения). Так, для УСП-1 это отношение равно 1,7, а для УСПК-1—1,2, что объясняется большим сопротивлением, которое оказывают статически более жесткие компоновки действию переменных нагрузок. Поэтому статическая жесткость является определяющей при конструи­ровании, исследовании, сборке и эксплуатации универсально-сборных приспособлений.

В последние годы значительно возросли мощности главных приводов металлорежущих станков и применяемые режимы ре­зания. Благодаря применению твердых сплавов и синтетических алмазов возросла стойкость режущих инструментов. Из-за низ­кой жесткости УСП приходится в ряде случаев занижать режимы резания и, следовательно, не полностью использовать станки по мощности. Были разработаны способы повышения жесткости и производительности обработки, с тем чтобы максимально исполь­зовать выпускаемые станки по мощности. С этой целью на черно­вых режимах испытывали компоновки обычной (УСП) и повы­шенной (УСПК) жесткости, позволившие установить границы эффективного применения универсально-сборной оснастки, а также определить целесообразность дальнейшего повышения жесткости приспособлений. Испытания проводили на станках: продольно-фрезерном 6652 мощностью привода N = 28 кВт, поперечно-строгальном 7М37, N = 10 кВт и токарно-винторезном 1Н64, N = 20 кВт. Обработку вели на максимально допустимых режи­мах резания до появления вибраций и с учетом полного исполь­зования стойкости режущего инструмента. Эффективная мощность измерялась ваттметром. По данным экспериментов для каж­дого случая определялся коэффициент использования оборудо­вания по мощности и был построен график (рис. 82). Из графика видно, что при обработке деталей в компоновках УСПК можно

У, ИМ

ого

0,15 0,10 0,05

Щ

о ' 5000 ют пооо 20000 pz,a,n

Рис. 81. Сравнение деформаций компо­новок УСПК и УСП: /—2 — соответственно при статическом и динамическом нагружениях для УСП-1; 3 и 4 — то же, для УСПК-1; 5—6 —то же, для УСПК-4

164

О 10 15 20 25 Н,квт ■

Рис. 82. Зависимость коэффи­циента использования мощно­сти станка [х от мощности при­вода N:

1 — для УСПК; 2 — для УСП

достичь значений коэффициента использования оборудования по мощности в 2—2,5 раза выше, чем в компоновках УСП. При этом полное использование оборудования по мощности можно осуще­ствлять при обработке в компоновках УСП на станках мощно­стью до 7 кВт, а в компоновках УСПК — до 17 кВт.

Факторы, влияющие на точность

Компоновки универсально-сборной оснастки представляют со­бой соединения элементов, определенным образом расположенных и закрепленных на базовых плитах. Во многих случаях это слож­ные конструкции, в которых на жесткость и точность положения одного соединения элементов оказывает влияние другое соеди­нение элементов. Исследования показали, что точность обраба­тываемых деталей определяют не только точностью изготовления элементов и сборки компоновок, но в значительной мере жест-! ■ костью приспособлений: собственные (изгибающие) деформации у и деформации в стыках (контактные деформации), возникающие jsj от действия сил резания и закрепления при сборке компоновок :1 и при закреплении в них обрабатываемых деталей. Базовые no­li верхности компоновок в большинстве случаев образуются поверх-Ц ностями блоков опор, расположенных и закрепленных в разных Ц местах на поверхности плиты.

Н Для установления степени влияния различных факторов на <; точность собранного приспособления было изучено типовое соеди-} нение элементов, состоящее из блока опор и плиты, часто встре-': чающееся почти в каждом универсально-сборном приспособле-■ нии. Основная схема исследования представляла собой базовые р: плиты УСП и УСПК с установленными и закрепленными на них j.| типовыми соединениями элементов — блоков опор, на которые ■Л действовала на определенной высоте от плиты опрокидывающая \\ сила Q, имитирующая в приспособлении силы резания и закреп-1 ления детали (рис. 83). Эта схема i является самой неблагоприятной :! с точки зрения влияния на точ-■] ность обработки, так как возни-т; кающий при этом опрокидываю-'-•) Щий момент стремится повернуть ,, блок опор относительно поверх-jy ности закрепления.

Как видно из рис. 83, положе­ние поверхности А относительно поверхности Б (стола станка или стендовой плиты) при действии

силы Q будет вполне определено, ге^но^х^^о^Р если убудет известен угол ср,- и терИзующих положение блока под линейное перемещение /г,- по вы- действием опрокидывающей силы Q

165

соте одной из точек этой поверхности, например точки С. Угло­вое перемещение ф,- плоскости А относительно плоскости Б от действия силы Q

= ф* + S

+ ф'".

где (fl — угол наклона плоскости блока к поверхности Б; ср", k —■ угол между верхней плоскостью k-то элемента и нижней плоско­стью; y'c'k — угол, который занимает нижняя плоскость верх­него элемента в k-м стыке по отношению к верхней плоскости нижнего элемента.

Линейное перемещение ht плоскости А относительно плоско­сти Б в точке С под действием силы определяется выражением

где h'i — перемещение блока по высоте в стыке с плитой в пло­скости расположения точки С; hi, и — перемещение по высоте точки верхней плоскости относительно нижней плоскости &-го элемента в плоскости точки С; К{'ъ — перемещение блока по высоте в k-u стыке за счет контактных деформаций (в плоскости точки С).

Величины ф; и h'i характеризуют перемещения в стыке блока с плитой за счет собственной деформации базовых плит: ф^ h'i — за счет собственной деформации опор и других элементов; <р|-", И.]" — перемещения в стыках. Для составления баланса влияния различных факторов на положение поверхности А (см. рис. 83) при действии Мопр в ходе экспериментов проводили также опре­деление: зазоров, возникающих между блоками и плитой; при­ращений сил в болтах; деформаций пазов плит под болтами отно­сительно поверхности плиты; изменения общего положения по­верхности плит под действием силы а; влияния числа элементов в блоках на угловое ф; и линейное h\ перемещения блоков в стыке с плитой.

Составление указанного баланса как для УСП, так и для УСПК позволяет не только сравнить эти два типоразмера оснастки, но дает возможность учитывать в новых разработках, как конструк­тивно надо исполнять элементы, чтобы обеспечить обработку деталей с необходимой точностью и производительностью.

Для экспериментов были выбраны опоры, имеющие наиболь­шую площадь прилегания: для УСПК — 90X 120 мм и для УСП— 90x60 мм. Крепили блоки на плите двумя болтами. Опрокиды­вающая сила прикладывалась на высоте 115 мм от плоскости плиты. Исследования выполняли на плитах УСПК и УСП, имею­щих одинаковый размер (360x360 мм). Закрепляли плиты на стендовой плите с помощью равноплечих прихватов с затяжкой болтов динамометрическим ключом до М = 200 Н- м. Опоры и блоки из опор на плитах закрепляли с осевой силой в болтах Г66

70 000 и 50 000 Н для УСПК и УСП соответственно. Это обес­печило момент затяжки: для УСПК 17—18 и для УСП 120— 130 Н-м. Сила затяжки контролировалась с помощью тензодат-чиков сопротивления, наклееных на стержень болта. Опрокиды­вающая сила Q изменялась от 0 до 20 000 Н для УСПК и от 0 по 12 000 Н для УСП. Показания индикаторов снимали через каждые 2000 Н нагрузки. Угловое фг и линейное h'i перемещения блока, состоящего из нескольких опор, в стыке с плитой опре­деляли для различных положений блока на плите.

Предварительно экспериментальным путем на блоке УСП высотой Н = 120 мм из элементов с габаритными размерами 90X60X20 мм было установлено, что под действием Мощ кон­тактирующие плоскости исследуемых элементов сохраняют свою прямолинейность. Поэтому для проведения измерений по опре­делению ф(- и h'i нижней плоскости опоры (блока), используя про­дольный шпоночный паз, крепили измерительную планку (рис. 84). Она была изготовлена из стали, термообработана, прошлифована и доведена путем притирки. Измерительную планку крепили к соответствующим плоскостям элементов УСПК и УСП. К изме­рительной планке подводились стержни-удлинители микронных индикаторов, установленных на стендовой плите. Стержни-удли­нители, установленные вертикально, имели игольчатый контакт с измерительной планкой. По показаниям индикаторов опреде­лялись значения <pj и h'i.

Из результатов эксперимента по определению ф£ и h\ видно, что соблюдается прямая зависимость между этими величинами и УИ0Пр. Эту зависимость можно выразить формулами

ф- = кхм и а; = кш,

где Ki и К[ — коэффициенты пропорциональности; М — опро­кидывающий момент.

По приведенным выше зависимостям и результатам экспе­риментов были определены эти коэффициенты для различных положений опоры на плите под действием Monv. По значениям Kt и К[ как функции положения опоры на плите построены графики (рис. 85, а б) для УСП и УСПК. Из графиков видно, что зна­чения4 этих коэффициентов для УСП в 2—4 раза больше, чем для УСПК- Диапазон изменения этих коэффициентов для раз­личных положений опор на плите УСПК намного меньше, чем Для опор на плите УСП.

По результатам предварительных испытаний разработаны и исследованы новые варианты конструкций плит и опор с целью уменьшения деформаций в разных направлениях и местах плит. В связи с этим была выполнена конструкция облегчающих вч-борок (карманов) базовых плит, обеспечивающих равножесткость во всех направлениях. Жесткость плит была повышена в 4 раза за счет расположения ребер жесткости под пазами, увеличения числа и толщины ребер.

167

Б В Г Д А Б В Г Положение опоры на плите a) t)

Рис. 84. Устройство для определе­ния перемещений блока в стыке с плитой, собственных деформаций и деформаций в стыках под действи­ем Л1опр:

1 — плита; 2 — опора размером 90X X 60X40 мм; 3 — микроиндикатор; 4 — измерительная планка

Рис. 85. Диаграммы значений угловых коэффициентов для различных положе­ний опоры на плите под действием Мопр:

I, 2 и 3 — для плиты УСП при установке опоры по осям II я I соответственно; 4—5 — для плиты УСПК при установке опоры по осям lull соответственно

Экспериментальным путем было установлено, что величина зазора между опорой и поверхностью плиты в УСПК в 6 раз меньше, чем в УСП, для подобных положений опор. Следова­тельно, при обработке в идентичных компоновках УСПК и УСП вибрации в компоновках УСП будут наступать значительно раньше. Установка прихватов, крепящих плиту вблизи распо­ложения опоры, сводит до минимума величину зазора между опорой и плитой при действии Мопр.

При определении значений ф; h\ для блоков с различным числом элементов было установлено, что увеличение элементов в блоке почти не влияет на угол ф;. Перемещение же блока по высотей; в стыке с плитой уменьшается с увеличением числа эле­ментов в блоке. Это можно объяснить тем, что с увеличением числа элементов в блоке возрастает доля деформаций, приходя­щаяся на стыки между опорами, и, следовательно, меньшая доля деформаций остается на перемещение блока в стыке с плитой. Число стыков мало влияет на жесткость компоновок универсаль­но-сборных приспособлений.

Угловое (p'i и линейное h'i перемещения в блоках за счет соб­ственной деформации элементов под действием Мтр определя­лись по схеме, показанной на рис. 84. Были исследованы блоки высотой 120 мм, собранные для УСПК, из трех элементов с габа­ритными размерами 90x120X40 мм и для УСП из элементов

168

90X60X40 и 90X60X20 мм. Блоки УСПК и УСП устанавлива­лись в одном и том же месте плиты. Измерительные планки за­креплялись указанным выше способом на верхней и нижней плоскости каждого элемента. К планкам подводились четыре микронных индикатора, по которым одновременно выполнялся отсчет при нагружении блока Мопр. Таким же способом опреде­лялись угловое ф7 и линейное h'i' перемещения за счет дефор­маций в стыках. Только в этом случае измерительные планки крепили к двум элементам в плоскостях, образующих стык (см. рис. 84). По показаниям индикаторов определяли значения ф;, k и hi, k\ ф1' k и hY, k для каждого элемента блока.

Результаты выполненных исследований показывают, что для блоков УСП и УСПК значения h'i и ц>1 имеют очень малую вели­чину. Так, изменение высоты элементов с нагружаемой и раз­гружаемой сторон блока не превышает 0,002—0,003 мм при Мопр = 1380 Н-м.

Для рассматриваемых блоков УСП и УСПК перемещения в стыках фГ, h'i' имеют также очень малую величину. Большие значения этих перемещений наблюдаются в нижних стыках (рис. 86, а и б). Для остальных стыков этих блоков перемещения в них как с нагружаемой, так и разгружаемой стороны блока при Л10Пр = 1380 Н-м не превышают 0,001—0,002 мм. Чтобы учесть влияние податливости элементов резьбового соединения на точность расположения поверхности А (см. рис. 83) экспе­риментально было определено приращение сил затяжки в болтах от действия Л1опр. Для блока УСП среднее значение приращения силы затяжки при Мопр — 1380 Н-м равно 950 Н, а для блока УСПК под действием Моир = 2300 Н-м сила затяжки составляет 580 Н. Следовательно, деформации элементов резьбового соеди­нения при действии на блок Мопр также будут незначительными и в малой степени будут влиять на точность расположения базо­вых поверхностей. Под действием опрокидывающей силы Q в стыке

			р
	1-		-о
		к
А	J

75 50 25 О

О 400 800М0пв,Н-М )

О ЧОО 800 Мопр,Н-М

30

15 О

ис. 86. Зависимость углового (кривая /) и высотного (кривая 2) перемещений ^H?e межДУ двумя нижними элементами при действии Л1Опв Для блоков (а) и УСПК (б) высотой 120 мм

169

а,ос-» 20

15

10

10,рад 100

63,<f

t$,3

22

- УСПК

-yen

Общая плита Зазор между Собствен- Резьба Стыки блоком а ные degwp-плитой маиии эле­ментов

Деформация,°/о

Рис. 87. Факторы, влияющие на угловое положение плоскости а:

1 — стендовая плита; 2 — прихват; 3 — опора; 4 — базовая плита УСП

блока с плитой возникает зазор, который изменяет условия взаи­модействия паза плиты и головки болта. Это обстоятельство потребовало определения податливости паза плиты под дей­ствием УИ0П0.

Проведенные исследования показали, что деформация полки паза плиты УСП относительно поверхности плиты при Мопр = = 1380 Н-м в 7 раз больше, чем деформация для плиты УСПК при Л1ОПр = 2300 Н-м. Снижение деформации Т-образного паза плиты УСПК по сравнению с пазом плиты УСП достигнуто вслед­ствие увеличения толщины полки паза с 10 до 15 мм и примене­ния новой конструкции опоры, где Мопр воспринимается двумя болтами вместо одного болта в УСП.

По определенным выше деформациям отдельных элементов был составлен баланс влияния различных факторов на точность углового расположения поверхности а по отношению к плоско­сти б (рис. 87) для блоков высотой 120 мм, состоящих из трех опор УСПК и отдельно УСП, при действии на них опрокидываю­щего момента.

Проведенный комплекс исследований позволил установить зависимости между жесткостью и точностью и определить степень влияния отдельных факторов на угловое и высотное положения плоскости а, т. е. влияние на точность приспособлений. Было установлено, что в общем балансе деформаций собственные де­формации составляют примерно 85%, а контактные — 15%. Наибольшее влияние на точность обработки оказывает собствен-

170

ная деформация базовой плиты, которая составляет свыше 60% от общей деформации соединения элементов УСПК. Жесткость плиты УСПК в 4 раза больше жесткости плиты УСП. Общее угловое перемещение верхней плоскости блока из опор УСПК в 4,5 раза меньше углового перемещения в УСП.

Последующее по своему значению влияние на точность имеют деформации паза, собственная деформация опор и деформация стыков. Наименьшее влияние оказывают податливости в стыках элементов и резьбах.

Полученные результаты исследований позволили показать, что количество стыков в малой степени влияет на точность при­способлений. Это дает возможность отвергнуть существовавшее мнение, что система сборной оснастки для высокоточных произ­водств не имеет перспективы из-за низкой точности таких при­способлений. Наоборот, эти исследования показывают, что имеются резервы повышения жесткости, а следовательно, точ­ности и производительности сборных приспособлений. Для этого необходимо повышать как общую жесткость, так и жесткость отдельных элементов конструкций, а также добиваться вырав­нивания жесткости во всех направлениях и точках базовых плит путем создания равножестких конструкций для обеспечения большей стабильности отклонений при обработке в условиях значительных изменений усилий резания, направления и вели­чины усилия закрепления.

Повышение жесткости компоновок может быть достигнуто также за счет увеличения сечения болта,' размера резьбы, сече­ния и высоты гайки, площади стыка гайки с цековкой. Необ­ходимо избегать удлинения нагруженной части болта или шпильки за счет установки между опорой и гайкой различных прокладок и шайб, выполнять резьбу на болтах и шпильках методом на­катки.

Даже в более жестких плитах (УСПК) при средних положениях опоры угловое перемещение блока относительно плоскостд уста­новки приспособления имеет наименьшее значение, а при пери­ферийных — наибольшее. Поэтому при чистовой обработке, когда требуется повышенная точность выполнения угла между верти­кальной и горизонтальной поверхностями, блоки для базирова­ния деталей рекомендуется располагать ближе к середине плиты. Если требуется повышенная устойчивость компоновки против вибраций, то блоки для базирования обрабатываемых деталей необходимо располагать ближе к периферии плиты, со стороны Действия сил, вызывающих деформации, так как в этом случае зазоры между блоком опор и плитой имеют наименьшее значение.

Для уменьшения величины зазоров между блоком и плитой Рекомендуется уменьшать расстояние между блоком и нагружае­мыми прихватами, чего можно достичь установкой дополни­тельных прихватов, крепящих плиту компоновки к столу станка вблизи этого блока.

171

Исследование способов повышения точности обработки

Одним из важнейших вопросов, определяющих перспектив­ность развития и расширения области применения универсально-сборной и переналаживаемой оснастки, является вопрос о воз­можности повышения точности обработки деталей. Универсально-сборные приспособления в зависимости от их сложности и габа­ритных размеров могут быть собраны из нескольких десятков, а иногда и сотен различных элементов. Поэтому возникла необ­ходимость определения влияния жесткости компоновок УСП на величину погрешности механической обработки. При иссле­довании одни и те же детали обрабатывались в идентичных ком­поновках УСПК и УСП для токарных, фрезерных и сверлильных операций.

Экспериментальную часть исследований выполняли следую­щим образом. Из элементов УСПК и УСП собирали исследуемые компоновки и определяли погрешность их сборки. Обработку деталей в компоновках УСПК и УСП (см. рис. 78) выполняли на одном станке, при одинаковых режимах резания и одним и тем же инструментом. Большой интерес для исследований пред­ставляют компоновки, которые в процессе обработки деталей совершают вращательное движение. Обработку деталей во вра­щающихся компоновках выполняли на токарном станке 165 и круглошлифовальном ЗА229. При исследовании определяли погрешность расстояния от основания детали до оси отверстия, которая зависит от точности и жесткости УСП. Обработку деталей в компоновках для токарных работ выполняли на получистовых и чистовых режимах. Проведенные исследования показали, что при обработке на чистовых режимах точность обработки деталей в компоновках УСПК соответствовала 8-му квалитету, а в ком­поновках УСП — 10-му квалитету. Анализ погрешностей обра­ботки деталей определил," что значительную часть их составляют систематические постоянные погрешности, возникающие в на­чальный период обработки. Для повышения точности обработки деталей выполнялась наладка компоновок, сущность которой заключалась в том, что обрабатываемая деталь смещалась в тре­буемом направлении на величину систематической погрешности.

Точность деталей, обработанных на чистовых режимах в ком­поновке УСПК после ее наладки, соответствовала 6-му квали­тету, а в компоновке УСП — 8-му квалитету. Определение ква-литета осуществляли статистическим методом. По результатам измерений деталей, обработаннык в исследуемых компоновках УСПК и УСП, при обработке их без наладки и с наладкой по­строены графики эмпирического распределения погрешностей обработки (рис. 88). Эмпирическое распределение выравнивалось по закону нормального распределения.

Сравнивая графики распределения погрешности обработки деталей в компоновках УСПК (рис. 88, а, б) и УСП (рис. 88, в, г), 172

Рис. 88. Распределение погрешностей обработки в то­карных компоновках УСПК (аи 6) и УСП (в и г):

а к в — при обработке без подналадки компоновок на получистовых режимах; б и г — при обработке с подна-ладкой компоновок на чистовых режимах; / — кривая эмпирического распределения; 2 — кривая, выравненная по закону нормального распределения

видим, что погрешность обработки в тех же компоновках после их наладки уменьшилась в среднем в 3 раза. Оценка точности деталей в компоновках УСПК и УСП, обработанных в одинако­вых условиях, выполнялась методом сравнения дисперсий. Про­веденные расчеты показали, что процесс обработки деталей про­исходил точнее. Более высокая точность обработки деталей в ком­поновках УСПК объясняется тем, что возникающие погрешно­сти, зависящие от жесткости приспособлений, при обработке в компоновках УСПК меньше, чем в соответствующих компонов­ках УСП. Аналогично проводили исследования точности обра­ботки деталей в тех же компоновках на круглошлифовальном станке. Точность обработки партии деталей в компоновках УСПК соответствовала 5-му, а в УСП — 6-му квалитетам точности. Про­веденные исследования точности обработки деталей в компонов­ках для фрезерных и сверлильных работ показали, что точность обработки деталей в компоновках УСПК на один квалитет выше, чем в компоновках УСП.

Анализ номенклатуры обрабатываемых деталей на заводах машиностроения показывает, что в среднем около 30% деталей обрабатываются по 5—9-му квалитету, а 70% —по 10-му ква­литету и ниже. Проведенные исследования также показали, что

173

обработку деталей в компоновках УСПК без наладки можно вы- '■■ полнить по 8—9-му квалитету. Для повышения точности обра­ботки необходимо производить наладку компоновок.

Способы наладки рассмотрим на примере компоновок для то­карных работ. Наладку этих компоновок можно осуществить смещением компоновки кулачками планшайбы, селективным от­бором элементов или с помощью элемента «тонкой» настройки. Первые два способа рекомендуется применять в стабильных условиях, когда в процессе обработки закономерно изменяющиеся систематические погрешности, вызванные температурными де­формациями и другими факторами, незначительны и не оказывают существенного влияния на суммарную погрешность обработки. Наладка с применением элемента «тонкой» настройки рекомен­дуется в тех случаях, когда кроме систематических погрешно­стей, возникающих в начальный период обработки, появляются и закономерно изменяющиеся систематические погрешности, ко­торые снижают точность в процессе обработки. В связи с этим в состав комплекта вводят элементы «тонкой» настройки.

При наладке за счет перезажатия кулачков планшайбы станка компоновка смещается в требуемом направлении на величину погрешности обработки. Этот способ, несмотря на его простоту, довольно трудоемкий, требует большого опыта и высокой квали­фикации рабочего. Его рекомендуется применять при обработке небольшой партии деталей.

Сущность наладки методом селективного подбора элементов УСП заключается в замене одного или нескольких элементов, влияющих на ответственные размеры компоновки. При этом обра­батываемая деталь смещается в требуемом направлении на вели­чину погрешности. Этот метод применим при обработке крупных партий деталей и в тех случаях, когда смену указанных элемен­тов можно осуществлять достаточно быстро.

При сборке УСП необходимо определить величину допуска на выполняемый размер компоновки по заданному допуску на обработку детали. Сборка приспособления значительно упро­щается, если известна допустимая погрешность бсб универсально-: сборного приспособления. Определение указанной величины рас-четно-аналитическим методом затруднительно и не всегда пред­ставляется возможным. Поэтому для практических целей удобно выражать погрешность сборки приспособления бсб как часть допуска на обработку детали. Погрешность сборки УСП можно определить по формуле

где К — коэффициент пропорциональности; бд — допуск на об-я работку детали.

Коэффициент К показывает, во сколько раз погрешность при­способления меньше допуска на обработку детали. Отсутствие: обоснованных допусков на сборку приспособлений приводит;

174 ::

к тому, что часть собранных приспособлений не обеспечивает требуемую точность обработки, и их приходится либо перекон­струировать, либо производить переналадку непосредственно на станке. Значения коэффициента К можно определять по фор­муле

А

где А — эмпирическая погрешность обработки деталей в рассма­триваемой компоновке.

Полученные значения коэффициента К необходимо сгруппи­ровать по видам компоновок и определить его среднее значение для каждой разновидности и типоразмера УСП. При определении допуска на сборку компоновок необходимо пользоваться усред­ненными значениями коэффициента К. Для правильно выбран­ной схемы компоновки должно соблюдаться условие А < бд. Коэффициент К неодинаков при разных видах обработки:

УСПК

УСП

Токарная получистовая...........1/4—1/5 1/7

Шлифование................1/2—1/3 1/4—1/5

Если при обработке деталей производится наладка компоно­вок с целью уменьшения систематических погрешностей, коэф­фициент К теряет смысл. Чем жестче приспособления, тем выше значения коэффициента К. Следовательно, для обработки одина­ковых деталей относительная точность компоновок УСП должна быть выше точности компоновок УСПК-

В специальных приспособлениях при выполнении работ по 6—10-му квалитету допуски на размеры приспособлений прини­мают равными 1/2—1/3 допуска на соответствующие размеры детали, а при работах по 11-му квалитету и ниже относительная точность может быть выше (1/5—1/10 от допуска). В УСП при выполнении работ по 6-му квалитету допуски на размеры компо­новок необходимо принимать равными 1/2—1/5 допуска на соот­ветствующие размеры обрабатываемой детали. Большее значе­ние коэффициента К для компоновок УСПК (К = 1/2-Т-1/3), чем для УСП (1/4—1/5), указывает на то, что при одинаковой точности сборки приспособлений точность обработки в компонов­ках УСПК выше, чем в УСП.

При выполнении работ по 10-му квалитету точности и ниже коэффициент К = 1/4-5-1/7 Объясняется это тем, что при полу-чистовых работах погрешность обработки большая, а точность компоновок высокая (такая же, как при чистовых операциях). Из этого не следует делать вывода, что точность элементов УСП завышена, так как из них собираются приспособления как для черновых, так и для чистовых операций.

Трудоемкость подналадки сборных приспособлений, когда ее осуществляют из элементов 5—6-го квалитета точности, намного

175

сокращается, так как приходится осуществлять подбор не одного, а двух параметров (например, линейного размера и отклонения от перпендикулярности). При этом сокращается также время подбора элементов, если наладка компоновок УСП осуществляется селективным методом.

Учитывая, что на современных инструментальных заводах изготовление элементов УСП по 5—6-му квалитету вполне до­стижимо, а стоимость их изготовления с такой точностью не нам­ного выше, чем по 8—9-му квалитету, вполне оправданным сле­дует считать изготовление элементов УСП по 5—6-му квалитету.

Другим важным фактором и резервом повышения точности обработки в компоновках УСПО является увеличение жесткости как отдельных элементов, так и компоновок в сборе. В этом на­правлении и ведется работа по повышению эффективности уни­версально-сборной и переналаживаемой оснастки. По резуль­татам проводимых исследований и на основе опыта эксплуата­ции составляют руководящие технические материалы по эксплуа­тации, в которых приводят необходимые данные и дают рекомен­дации по повышению точности и производительности обработки деталей в компоновках УСПО.

Исследование элементов комплекса УСПО

Одной из целей создания комплекса УСПО является исполь­зование принципов создания оснастки многократного применения для серийного и крупносерийного типа производства, где при­менение существующих видов универсально-сборной и перена­лаживаемой оснастки в настоящее время неэффективно из-за невысоких показателей жесткости и точности собираемых при­способлений. Для повышения точности обработки деталей с по­мощью универсально-сборной и переналаживаемой оснастки необ­ходимо решить вопросы обеспечения необходимой жесткости собираемых компоновок, повышения стабильности установки элементов при многократной их сборке-разборке и точности сборки компоновок, обеспечивающих необходимую точность обработки деталей. Решение этих проблем в значительной мере зависит от выбора метода фиксации элементов оснастки между собой, их конструктивных параметров и технологии изготовления. В суще­ствующих видах технологической оснастки многократного при­менения используют только два вида фиксирующих элементов: призматические шпонки и установочные пальцы.

В ряде работ выполнены сравнительные исследования техни­ческих характеристик соединений с помощью указанных фикси­рующих устройств. Однако технические характеристики этих соединений не обеспечивают выполнения поставленных требо­ваний. Для повышения стабильности установки элементов были разработаны два вида фиксирующих устройств, названных без-176 ■ г

а) 4} ')

Рис. 89. Схемы фиксации элементов УСПО

зазорными. Сравнение стабильности положения элементов при фиксации на беззазорные фиксирующие устройства проводилось с традиционными методами фиксации на призматические шпонки и установочные пальцы (рис. 89, а, б).

Сущность беззазорного метода фиксации заключается в том, что зазоры в соединении выбирают за счет разжима втулок (рис. 89, в) или сжатия разрезного шарика (рис. 89, г), проис­ходящих при закрытии стыка с помощью стягивающих соединяе­мые детали болтов или шпилек. Разжатие втулок происходит за счет шайб из полиуретана, установленных с двух сторон, и разжимных элементов, выполненных в виде двух усеченных кону­сов. Жесткость фиксации определяется большими радиальными силами, получаемыми от незначительных сил замыкания стыка, которые, в свою очередь, определяются упругими свойствами шайб из полиуретана. Экспериментальными исследованиями уста­новлено, что оптимальная сила осевого замыкания стыков при фиксации на сборные штифты должна быть в пределах 2500— 4000 Н.

Стабильность установки опоры на плиту при многократной сборке-разборке проверялась путем фиксации на три призмати­ческие шпонки, два установочных пальца и два беззазорных фиксирующих устройства. Элементы УСП соответствовали тре­бованиям ГОСТа, установочные пальцы и шпонки обеспечивали в соединении одинаковый зазор, межцентровые расстояния в эле­ментах с отверстиями составляли 40 ± 0,01 мм, допуск на биение в элементах беззазорных фиксирующих устройств соответство­вал 0,01 мм, угол при вершине конуса в элементах фиксации составил 12° ~ 5'. Отклонение от положения контролируемого элемента измерялось с помощью индикаторов с ценой деления 0,001 мм.

По каждому способу фиксации было выполнено 375 сборок-разборок опоры с плитой. Полученные значения обрабатывали методами математической статистики. По значениям положения центра опоры и разворота относительно начала координат опре­делялась нестабильность сборки элементов, как размах смещений по осям х и у, а также размах углового разворота в плоскости XOY (рис. 90). Кроме экспериментального определения пара­метров стабильности положения элементов, те же параметры

177

Рис. 90. Схема определения стабильности установки элемента при многократной сборке -разборке:

/ — стенд; 2 — плита; 3 — опора; 4 — изме­рительная планка; 5 и 6 — установочные базы; № 1 —№ 4 — номера измерительных индикаторов

определялись расчетными ме­тодами по максимуму-мини­муму и теории вероятностей. Результаты теоретических расчетов полностью подтвер­дили экспериментальные данные. В результате можно сделать вывод, что беззазор­ный способ фиксации в 2— 3 раза превосходит по ста­бильности положения способ фиксации на установочные пальцы, и в 3—4 раза — на призматические шпонки. Элементы оснастки в про­цессе эксплуатации подвер­гают самым разнообразным видам нагружений. Если нагрузка на элемент превы­сит определенную величину, то элемент может сдвинуться, и в работу вступят устройства, которые фиксируют один элемент относительно другого. С момента вступления в работу фиксирующих, устройств нагрузка на элемент распределяется между ними и стыком. Величина смещения элементов под дей­ствием нагрузки зависит от величины зазоров между фиксирую­щими элементами" и сопрягаемыми деталями, а также от жестко­сти фиксирующих устройств. Величины зазоров в фиксирующих устройствах определяются выбранными посадками. Жесткость фиксирующих устройств зависит от числа сопрягаемых поверх­ностей, чистоты их обработки, силы предварительной затяжки, погрешности форм и других конструктивных и технологических особенностей.

Шпонка, как элемент фиксации, работает в благоприятных ус­ловиях, так как при опрокидывании элемента в шпонке не воз­никает значительных изгибающих напряжений из-за ее малой высоты. Но, с другой стороны, малая поверхность контакта шпо­нок с поверхностью шпоночных пазов позволяет увеличивать и без того значительные перемещения за счет контактных дефор­маций в элементах фиксации. Положение усугубляется еще и тем, что шпонка может перекашиваться в пазу, уменьшая таким об­разом площадь контакта, за счет чего увеличиваются перемеще­ния. То же происходит и при фиксации на установочные пальцы с зазором. Исследования показывают, что жесткость при фик­сации на пальцы с зазором в 2 раза ниже жесткости при соедине­нии с помощью трех шпонок, установленных с тем же зазором. Это объясняется тем, что при фиксации на пальцы величины кон­тактных деформаций значительно больше, чем в шпоночном соеди­нении, из-за малых площадей контакта между пальцами и отвер-178

стиями. При вступлении в работу пальцев последние перекаши­ваются, и контакт практически происходит в четырех точках. Кроме этого, в соединении возникают и изгибные деформации, ввиду того что установочные пальцы имеют высоту значительно большую, чем шпонки. В беззазорных соединениях перемещения происходят в основном за счет контактных и изгибных деформаций.

Сравнительные экспериментальные исследования на жесткость проводились в условиях статического нагружения. Сила закреп­ления опоры обеспечивалась с помощью динамометрического ключа и была равна 40 000 Н. Нагружение опоры проводилось на сдвиг, сдвиг с изгибом и сдвиг с кручением с помощью дина­мометра ДОСМ 3-1.

Нагрузка обеспечивала вступление в работу фиксирующих устройств, и ее максимальные величины соответствовали 12 000 Н при сдвиге, 6000 Н при сдвиге с изгибом и сдвиге с кручением. Результаты экспериментов показали, что фиксация элементов с помощью беззазорных фиксирующих устройств обеспечивает повышение жесткости соединения элементов по сравнению с фик­сацией на шпонки и установочные пальцы на 20% и 100% соот­ветственно. Жесткость соединения в УСПО можно повысить также за счет применения крепежных элементов большего диаметра, а следовательно, и большей силы закрепления элементов.

Исследования соединения при динамических нагрузках про­водили в интервале 1000—3000 Н с частотой 50 Гц. Нагружение осуществлялось с помощью вибратора, а контроль нагрузки — тензометрическими датчиками и измерителем статических дефор­маций ИСД-3. Статический и динамический размах колебаний определялся с помощью вибродатчика, тензостанции и осцил­лографа.

Отношением размаха колебаний в условиях динамических нагрузок к размаху колебаний в условиях статических нагрузок

К

Ja

определяется коэффициент динамичности, который с увеличением нагрузки уменьшается от 2,5 до 1,1. Каждое нагружение прово­дилось в течение 5 мин.

По результатам исследований построены графики зависимо­сти смещения у и перекоса у опоры от приложения динамической нагрузки (рис. 91). Из графика видно, что жесткость соединения при беззазорном способе фиксации в 2 раза выше жесткости фик­сации на три шпонки.

Если моделировать процесс обработки деталей на станке, то в компоновке будут действовать одновременно и статические и Динамические нагрузки. Статические — от сил закрепления де­тали, динамические — от сил резания. Исследования проводились на опорах и плитах с установкой соответственно на четыре шпонки и два беззазорных фиксирующих устройства аналогичного пре-

179

Рис. 91. Графики зависимости смещений у и перекоса у элементов УСП и УСПО:

а — при испытании в сопоставимых условиях по жесткости базовой плиты в условиях динамического нагружения; б — при испытании с установкой элементов на плиты соот­ветствующей системы в условиях динамического нагружения; в — при испытании в ус­ловиях статического и динамического нагружения одновременно; 1,2 — смещение эле­ментов при фиксации соответственно на шпонки и беззазорные фиксирующие устрой­ства; 3,4 — перекос элементов при фиксации соответственно на шпонки и беззазорные фиксирующие устройства

дыдущим испытаниям с добавлением статической нагрузки (5000 Н), действующей в сторону приложения динамической. Из графика на рис. 91 видно, что смещение элемента от дей­ствия статической и динамической нагрузок одновременно в 4 раза меньше при фиксации на беззазорные фиксирующие элементы, чем при фиксации четырьмя шпонками. Таким образом, все иссле­дования жесткости соединения элементов в условиях статиче­ского и динамического нагружения показывают значительное превосходство фиксации элементов на беззазорные фиксирующие устройства.

Для сравнения результатов по методам фиксации элементов УСП и УСПО были проведены также эксплуатационные испытания компоновок. Из одних и тех же деталей были собраны компо­новки УСП и УСПО, в которых для обеспечения беззазорного метода фиксации были расточены отверстия. В компоновках УСП все элементы крепились к плите болтом М12х1,5 с осевой силой 50 000 Н. В компоновке УСПО те же элементы крепились к плите шпилькой М16 с осевой силой 50 000 и 70 000 Н. Такое различие в креплении элементов объясняется тем, что в комплексе УСПО при одних и тех же габаритных размерах плит и опор можно уста­новить крепежный элемент М16, а в УСП только М12.

Перед установкой компоновок на станок они были проверены на жесткость в условиях статического нагружения. По резуль­татам испытаний построены графики зависимости упругих и остаточных перемещений кондукторной планки от соответствую­щей нагрузки (рис. 92, а, б).

Как видно из графиков, применение беззазорных фиксирую­щих устройств незначительно уменьшает величину упругих деформаций кондукторной планки. При увеличении силы закреп­ления болта от 50 000 до 70 000 Н в компоновке УСПО упругие 180

перемещения остаются практически одинаковыми. Однако в ком­поновках УСПО остаточные перемещения существенно умень­шаются по сравнению с компоновкой УСП, в 2—3 раза умень­шаются также величины остаточных перемещений кондукторной планки при уменьшении силы закрепления болта от 50 000 до

70 000 Н.

Для проведения испытаний на фрезерном станке были собраны две компоновки УСП и УСПО, скомпонованные из аналогичных деталей. В компоновках УСПО применялись крепежные эле­менты М16 с затяжкой их до 70 000 Н. Фрезерные компоновки были проверены на статическую жесткость в направлениях пер­пендикулярно подаче и по подаче. Эти исследования показали, что жесткость компоновки УСПО в 2 раза выше жесткости ком­поновки УСП.

Фрезерование осуществлялось на вертикально-фрезерном станке 6М13П торцовой фрезой диаметром 250 мм с 12 режущими зубьями и вставными твердосплавными пластинками. Обрабаты­вались заготовки размером 120x120x240 мм, изготовленные из стали 12ХНЗА. После каждого прохода заготовка откреплялась и заново закреплялась. Обработка проводилась на трех режимах резания:

1) t = 3 мм; п = 315 об/мин; s = 125 мм/мин;

2) t = 3 мм; п = 315 об/мин; s = 200 мм/мин;

3) t = 5 мм; п = 315 об/мин; s = 200 мм/мин.

Последовательность обработки была следующей: сначала вы­полнялись четыре рабочих хода по режиму 1, затем четыре рабо­чих хода по режиму 2 и окончательно выполнялись два рабочих хода по режиму 3.

В процессе обработки заготовок в компоновках с помощью индукционного датчика, подключенного к тензостанции УТ-4

и осциллографу Н-700, осуществлялась запись поперечных и продольных колебаний опорных элементов на высоте 155 мм от плоскости базовой плиты. После того, как припуск на заготовке был полностью снят, т. е. выполнено десять проходов, компоновку снимали со станка и направляли для измерений положения опор­ных элементов. После обработки одной заготовки и соответствую­щих измерений компоновки полностью пересобирали и затем в такой же последовательности производили обработку второй и третьей заготовок в каждой компоновке. По результатам замеров определяли смещения центра базовых опор в двух взаимно пер­пендикулярных направлениях и разворот опор в горизонтальной плоскости XOY.

Из полученных данных можно сделать вывод, что жесткость фрезерной компоновки УСПО выше жесткости компоновки УСП. При этом в компоновке УСПО можно производить обработку за­готовок на повышенных режимах резания, обеспечив таким обра­зом повышение производительности труда примерно в 1,7 раза. Выполненные исследования по стабильности положения элемен­тов при многократной сборке-разборке и при различных видах нагружения соединений, а также исследования жесткости компо­новок показали значительное превосходство фиксации элементов с помощью беззазорных фиксирующих устройств по сравнению с фиксацией на шпонки, однако они не дали ответа на вопрос о точ­ности взаимного расположения элементов оснастки. Точность взаимного расположения элементов зависит от допусков на меж­центровые расстояния базирующих поверхностей, на расстояние базирующих поверхностей (отверстий, пазов) от боковых сторон элементов, на расположение (отклонения от перпендикулярности, параллельности) базирующих поверхностей относительно устано­вочных и боковых сторон элементов, зазоров между поверхностями базирующих и фиксирующих элементов и т. д. t

Выполненные экспериментальные исследования точности уста-: новки двух опор на базовой плите дополнительно были проверены: расчетным путем по методу «максимум-минимум». Результаты тео-| ретических расчетов размерных цепей представлены в виде сере­динного размера и перекосов двух элементов при фиксации их. на шпонки и беззазорные фиксирующие устройства с допуском [г на межцентровые расстояния между отверстиями 2=0,01; ^=0,02; ?: *0,03 мм в табл. 24. [■

Таким образом, точность установки элементов УСПО может| быть значительно повышена по сравнению с точностью установки];; элементов УСП за счет получения координатной сетки отверстий | с точностью межцентровых расстояний в пределах ;±=0,01 мм, f которая не вызывает особых технологических затруднений. | Выполненные исследования показали, что имеются больший! неиспользованные резервы повышения жесткости, точности и! эксплуатационной надежности компоновок, собираемых из эле-?;: ментов комплекса УСПО. При сборке приспособлений, которые р 182

Таблица 24

Отклонения серединных размеров и перекосы двух элементов при фиксации на шпонки и беззазорные соединения

Способ фиксации элементов

Отклонение от номинала

серединного размера между

элементами, мм

Перекос эле­ментов на I = 60 мм

На призматические шпонки.....

На беззазорные фиксирующие уст­ройства при допуске на межцентровые расстояния отверстий, мм:

±0,01 ............

±0,02 ............

±0,03............

+0,113 —0,083

±0,029 ±0,039 ±0,049

0,145

0,098 0,118 0,138

действуют в условиях значительных нагрузок, нужно ставить больше крепежных элементов и затягивать резьбовые соединения с оптимальным усилием. Крепление элементов в компоновке сле­дует производить тарировочным ключом и усилия закрепления должны соответствовать усилиям, рекомендуемым для каждой серии комплекса УСПО.

Равнодействующие от сил закрепления и сил резания должны быть направлены на базовые опорные элементы по направлению закручивания резьбовых соединений. При соблюдении этого ус­ловия влияние сил резания на ослабление резьбовых соединений и нестабильность положения базовых элементов будет снижаться.

При обработке деталей на больших режимах резания следует устанавливать по четыре беззазорных фиксирующих устройства в каждом стыке, что повышает жесткость соединения элементов между собой. В компоновках для обработки деталей невысокой точности фиксацию элементов можно осуществлять на цилиндриче­ские установочные пальцы. Для повышения жесткости компоно­вок крепление плиты приспособления к столу станка необходимо производить не только по краям плиты, но и посредине одним или двумя резьбовыми соединительными устройствами в зависимости от габаритных размеров плиты.