§ 12. Установка заготовок для обработки на станках. Погрешности установки

Одной из причин, вызывающих погрешности выполняемого размера и отклонения взаимного положения поверхностей обрабатываемой за­готовки, является погрешность ее установки на станке.

У обрабатываемой заготовки различают следующие виды поверх­ностей: обрабатываемые поверхности; поверхности, посредством ко­торых ориентируют заготовку относительно установленного на размер инструмента; поверхности, с которыми контактируют зажимные устройства; поверхности, от которых производится измерение выпол­няемого размера; свободные поверхности.

Поверхности (а также линии и точки) заготовки, ориентирующие ее при установке для обработки на станке, называют базирую­щими элементами или установочными базами, а придаваемое заготовке положение, определяемое базирующими эле­ментами, называют ее базированием. (Подробнее о базах см. §.13). Поверхности, линии и точки, от которых выдерживаются заданные размеры, называют измерительными базам и.

Обрабатываемые поверхности, установочные и измерительные ба­зы, а также направление силы резания определяют при установке размещение установочных элементов, на которые ставится заготовка, и зажимных устройств.

Следует различать установку для обработки способом автомати­ческого получения заданных размеров, когда положение измеритель­ной базы относительно установленного на размер инструмента непос­редственно влияет на допуск выдерживаемого размера, и установку для обработки способом индивидуального получения заданных раз­меров, когда положение измерительной базы обрабатываемой заго­товки не оказывает влияния на допуск выдерживаемого размера, так как Заданный размер получается путем пробных проходов и промеров непосредственно от измерительной базы.

При первом способе применяют специальные рабочие приспособления, под которыми понимают устройства, сос­тоящие из установочных, зажимных и направляющих инструмент элементов, смонтированных в общем корпусе. Установку заготовок осуществляют доведением их базовых поверхностей до соприкосновения с установочными элементами приспособлений и последующим зак­реплением заготовок зажимными устройствами. Преимущества этого способа установки: быстрота, устранение выверки и влияния субъек­тивных факторов на точность положения заготовки в приспособлении.

При обработке способом автоматического получения размеров ста­нок предварительно настраивают, т. е. устанавливают инструмент и приспособление в такое взаимное положение, при котором обеспечи­вается выдерживание заданного размера в партии заготовок при одно­проходной обработке. Это положение остается неизменным до очередного регулирования, требующегося вследствие размерного износа''' инструмента или новой настройки в связи со сменой затупившегося инструмента.

При использовании приспособлений возможно образование погрешности установки, т. е. погрешности положения заготовок. Погреш­ность установки , как одна из составляющих общей погрешности вы­полняемого размера, суммируется из погрешности базирования , погрешности закрепления , и погрешности положения заготовки , вызываемой неточностью приспособления.

Погрешностью базирования называется разность предельных расстояний измерительной базы относительно установлен­ного на размер инструмента. Погрешность базирования имеет место при несовмещении измерительной и установочной баз заготовки; она определяется для конкретного выполняемого размера при данной схеме установки. Поэтому величине , в расчетах нужно присваивать ин­декс соответствующего размера.

На рис. 21, а дана схема установки заготовки для фрезерования в ней паза. Закрепление заготовки производится силой Q. При обра­ботке партии заготовок погрешность базирования по отношению к размеру А равна нулю ( = 0), так как измерительная и установоч­ная базы совмещены в плоскости 1 заготовки. Погрешность базирования по отношению к размеру В равна допуску на размер С заготовки ( ). В этом случае установочная база 1 не совмещена с измерительной базой 2.

На рис. 22, а показана схема установки цилиндрической заготовки в призму для фрезерования на ней плоскости. Двумя окружностями изображены наибольшая и наименьшая по диаметру заготовки в пар­тии с осями в точках С' и С". При выполнении размера погрешность базирования определяется разностью предельных размеров от изме­рительной базы (образующие А' и А") до установленного на размер инструмента (точка А’’’).

По аналогии

Следовательно,

(19)

Здесь — допуск на диаметр заготовки; — угол призмы. По аналогии для размеров h₂ и h₃

(20)

1)

Из полученных формул видно, что погрешность базирования для размеров h₁ , h₂ и h₃ можно уменьшить, увеличивая угол а призмы. Изменяя положение призмы (рис. 22, б) можно также уменьшить погрешности базирования для размеров h₁ и h₃. Из чертежа следует, что для этого случая

;

При < 60° (для призмы на рис. 22, а) уменьшается также и по­грешность базирования для размера h₂ .

На рис. 22, в показана установка заготовки базовым отверстием на цилиндрический палец приспособления с закреплением по торцам. При посадке без зазора (разжимной палец) погрешность базирования для размера А равна половине допуска на диаметр заготовки. При на­личии зазора (жесткий палец) погрешность базирования для того же размера возрастет на величину предельного изменения диаметраль­ного зазора и составит

(22)

Во всех случаях обработки погрешность базирования равна нулю для диаметральных размеров и размеров, связывающих элементы, получаемые мерным или настроенным инструментом. Так, для разме­ров В и С (см. рис. 22, е)

и

Погрешность базирования также равна нулю для всех размеров, свя­зывающих поверхности, обработанные при единой установке заготов­ки.

На погрешность базирования влияет погрешность формы устано­вочной базовой поверхности. Так, наличие эллиптичности цилиндри­ческой поверхности изменяет положение оси заготовки в призме (при ее различных угловых положениях), а отсюда возникает и пог­решность выполняемого размера Е (рис. 23, а). Этот размер изменяется в пределах 2с.

Наличие макронеровностей на базовой установочной плоскости (рис. 23, б) может вызвать погрешность размера В. В большинстве случаев эта погрешность мала (при опорах с развитой поверхностью она составляет небольшую часть высоты макронеровностей Н) и ею можно пренебречь. В методическом отношении эту погрешность можно рассматривать как элемент погрешности базирования, так как измерительная база (плоскость 1—1) не совмещена с фактической ус­тановочной базой — криволинейной поверхностью профиля.

Как погрешность положения заготовки погрешность базирования влияет на точность выполнения размеров, точность взаимного положения поверхностей и не влияет на точность их формы. Погрешность базирования для различных схем установки может быть найдена на ос­нове геометрических расчетов.

Для устранения и уменьшения погрешности базирования следует: совмещать установочные и измерительные базы, повышать точность выполнения размеров установочных баз, выбирать рациональное рас­положение установочных элементов и назначать правильно их раз­меры, устранять или уменьшать зазоры при посадке заготовок на охватываемые или охватывающие уста­новочные элементы.

Погрешностью закреп­ления называется разность предельных расстояний измеритель­ной базы относительно установлен­ного на размер инструмента в резуль­тате смещения обрабатываемых заго­товок от действия зажимной силы. Для партии заготовок эта погреш­ность равна нулю, если величина сме­щения хотя и велика, но постоянна; в этом случае положение поля до­пуска выполняемого размера может быть скорректировано настройкой станка.

На рис. 21, а можно видеть, что погрешность закрепления заготов­ки по отношению к размеру А не равна нулю ( ), тогда как для размера Е она равна нулю ( так как измерительная база 3 не перемещается при закреплении заготовки в горизонтальном нап­равлении. Смещения измерительной базы заготовки происходят в ре­зультате деформации звеньев цепи (заготовка, установочные элементы и корпус приспособления), через которую передается зажимная сила. Из всего баланса перемещений в этой цепи наибольшую величину име­ют перемещения в стыке заготовка—установочные элементы. В осталь­ных звеньях перемещения при рациональной конструкции приспо­собления малы.

Зависимость контактных деформаций для стыков заготовка—уста­новочные элементы выражается в общем виде нелинейным законом

(23)

где С — коэффициент, характеризующий вид контакта, материал за­готовки, шероховатость и структуру ее поверхностного слоя. Для партии заготовок при данной схеме установки этот коэффициент из­меняется от Cmin до Cmax ; Q — сила, приходящаяся на установочный элемент (опору).

Показатель п в этой зависимости меньше единицы. Характер дан­ной зависимости показан на рис. 24, а. В зажимных устройствах приспособлений сила закрепления при обработке партий заготовок колеблется от Q_min до Q_max, вызывая соответствующее изменение контактных деформаций (осадка заготовки). Применительно к разме­рам А и В (см. рис. 21, а) разность y_max и y_min и будет составлять погрешность закрепления (см. рис. 24, а)*.

По своей величине погрешность закрепления заготовки часто сопо­ставима с погрешностью базирования. Ее можно уменьшить путем: применения зажимных устройств, обеспечивающих постоянную силу зажима заготовок (пневма­тические, гидравлические и дру­гие устройства); повышения однородности поверхностного слоя и материала заготовок; рационального выбора направ­ления зажимной силы.

Сила зажима должна надеж­но прижимать базовую поверх­ность заготовки к установочным элементам приспособления. При неправильной схеме закрепле­ния, когда сила зажима не обес­печивает плотного прижатия заготовки к опорам может про­изойти ее поворот или смещение на более или менее значительную величину от исходного положения.

Подобное смещение следует считать не погрешностью закрепле­ния, а грубой погрешностью методического характера из-за принци­пиально неправильной схемы установки. Ошибки такого рода воз­никают при неправильных конструкциях специальных и нерациональ­ном использовании универсальных приспособлений (машинные тиски, патроны и др.). Так, при закреплении в машинных тисках (рис.21,б) заготовка может повернуться вокруг точки О с нарушением контакта ее нижней базы с опорной плоскостью тисков. В результате этого возникнет непараллельность обрабатываемой верхней плоскости за­готовки ее нижней базе.

Погрешность положения заготовки _пр, вызываемая неточностью приспособления, определяется ошибками изготовления и сборки его установочных элементов _ус, их прогрессирующим износом _и, а также ошибками установки и фиксации приспособления на стан­ке

Составляющая _ус характеризует неточность положения устано­вочных элементов приспособления. При использовании одного приспо­собления она представляет собой систематическую постоянную пог­решность; ее можно частично или полностью устранить соответствую­щей настройкой станка. При использовании нескольких одинаковых приспособлений (приспособлений-дублеров и приспособлений-спут­ников), а также многоместных приспособлений эта величина не компен­сируется настройкой станка и входит полностью в состав _пр. Тех­нологические возможности изготовления приспособлений обеспе­чивают выдерживание составляющей _ус в пределах 0,01—0,005 мм, а для прецизионных приспособлений и с более высокой точ­ностью.

Составляющая _и характеризует изменение положения контактных поверхностей установочных элементов в результате их износа в про­цессе эксплуатации приспособления. Интенсивность износа установоч­ных элементов зависит от их конструкции и размеров, материала и веса заготовки, состояния ее базовой поверхности, а также условий установки заготовки в приспособление и снятия ее. Исходя из требуе­мой точности установки, износ опор регламентируют заранее рассчи­танной величиной. Износ контролируют при плановой периодической проверке приспособлений. Если износ достиг предельно допустимой величины, приспособление ремонтируют путем смены опор. При обра­ботке заготовок средних размеров по 2—3-му классам точности допус­тимая величина _и обычно не превышает 0,015 мм. Для уменьшения износа опоры выполняют из закаленной стали. Нередко их хромируют или наплавляют твердым сплавом, что. уменьшает износ соответствен­но до 3 и 10 раз.

Величины _ус и _и показаны на примере двухместного приспособ­ления (рис. 24, б). Из рисунка видно, что они влияют на выдерживае­мый при обработке размер H.

Составляющая _с возникает в результате смещений и перекосов корпуса приспособления на столе, планшайбе или шпинделе станка. В массовом производстве при однократном неизменном закреплении приспособления на станке эта величина доводится выверкой до определенного минимума и постоянна в течение эксплуатации данного приспособления. Часто она может быть устранена (компенсирована) соответствующей настройкой станка. В серийном производстве имеет место многократная периодическая смена приспособлений на стан­ках; постоянная величина _с превращается при этом в некомпенсируе­мую случайную величину, изменяющуюся в определенных пределах. Аналогичное явление наблюдается на автоматических линиях при ис­пользовании приспособлений-спутников. Применением направляющих элементов (шпонки для Т-образных пазов стола, центрирующие пояс­ки, фиксаторы) и рациональным назначением зазоров в их сопряже­ниях величину _с можно уменьшить до 0,01—0,02 мм.

Величины _ус, _и и _с характеризуют расстояние между предель­ными проекциями измерительной базы обрабатываемых заготовок на направление выполняемого размера. В проектных технологических расчетах их можно рассматривать как поля рассеяния случайных величин, распределение которых в первом приближении можно принять по нормальному закону. При этом условии

(24)

Погрешность установки как суммарное поле рассеяния выполняемого размера найдем по аналогичной формуле

(25)

Величины _б, ₃ и _пр часто сопоставимы по своим значениям. Умень­шение величин ₃ и _пр важно при точной обработке. Их анализ поз­воляет обосновать схему приспособления и сформулировать техни­ческие условия на его изготовление. Это особенно важно при конструи­ровании прецизионных приспособлений.

При обработке поверхностей вращения величины _б, ₃ и _пр приоб­ретают характер векторов, так как могут иметь различную направ­ленность. В этом случае погрешность установки, как погрешность положения заготовки, определяется ее возможным смещением в ту или иную сторону. Величину этого смещения определяют геометрически, как векторную сумму _б, ₃ и _пр.

При установке заготовки базовым отверстием на центрирующий бурт приспособления с зазором, смещение заготовки в ту или иную сторону от оси центрирующего бурта определяется величиной ради­ального зазора . При смещении оси бурта относительно оси враще­ния шпинделя на величину общая погрешность установки е опре­деляется векторной суммой величин и . Наиболее вероятное значение погрешности установки в данном случае определяется сумми­рованием по правилу квадратного корня

(26)

Наибльшее значение величины возможно тогда, когда векторы и колинеарны и суммируются арифметически.

Полученное значение определяет несоосность базового отверстия и наружной обрабатываемой поверхности, но не влияет на ее диаметр. Как мы увидим дальше, эта несоосность нужна для расчета припуска на обработку наружной поверхности.

Для размеров, связывающих комплекс поверхностей, обработан­ных при одном закреплении заготовки, и для их взаимного положения погрешность установки заготовки, как составляющая общей погреш­ности обработки, равна нулю. Этот случай имеет место при обработке деталей из прутка на токарно-револьверных станках и автоматах, а также при обработке деталей на агрегатных и других станках. Во всех случаях погрешность установки заготовки в приспособлениях может быть рассчитана, исходя из геометрических связей и анализа схемы установки.

Погрешность установки заготовки приходится учитывать не только в расчетах точности механической обработки, но и при проектирова­нии контрольно-измерительных и сборочных операций. Уменьшение погрешности измерения деталей в контрольных приспособлениях дос­тигается прежде всего совмещением установочной базы с измеритель­ной; проверяемую деталь устанавливают на ту поверхность, от которой на рабочем чертеже заданы проверяемые размеры. В этом случае погрешность базирования в процессе измерения равна нулю. Кроме того, следует уменьшать величины ₃ и _пр, используя изложенные ранее рекомендации. При выполнении операций узловой и общей сборки в сборочных приспособлениях погрешность установки сопрягае­мых элементов может быть уменьшена путем сокращения всех ее трех составляющих. Это способствует повышению точности сборки и улуч­шению собираемости деталей, что весьма важно для условий автома­тизации сборочных процессов. Во всех рассмотренных случаях ме­тодика определения погрешности установки является общей, хотя и имеет отдельные специфические особенности.

При обработке способом индивидуального получения заданных размеров заготовку устанавливают с выверкой, а рабочий инст­румент устанавливают на размер индивидуально для каждой заготов­ки путем пробных проходов и измерений. Выверку положения за­готовки производят либо непосредственно по обрабатываемой поверх­ности, либо по разметочным рискам*. Эти элементы являются устано­вочными (проверочными) базами в отличие от опорных поверхностей, на которые ставится заготовка. Разметка применяется в единичном и мелкосерийном производствах. Ее выполняют в целях проверки годности исходных заготовок путем нанесения на их поверхности рисок (границ) обработки, выверки заготовок при установке их на станке, нанесения рисок для установки накладных кондукторов, а также контроля обработки сложных деталей машин. Требуемое по­ложение выверяемой заготовки достигается подкладками, домкратиками и другими универсальными устройствами.

Точность установки с выверкой определяется тщательностью про­изводимой проверки. Она зависит от квалификации рабочего, вида применяемого при проверке инструмента, а также состояния поверх­- ности, по которой производится проверка. Выверку производят до и окончательно после закрепления заготовки, так как под воздей­ствием зажимных сил заготовка может изменить свое положение. Пог­решность установки с выверкой количественно равна погрешности проверки заготовок; погрешность положения заготовки при ее зак­реплении укладывается при этом в поле погрешности проверки. Погрешность установки с выверкой учитывается при определении ошибок взаимного положения поверхностей (непараллельность, неперпендикулярность и т. п.), так как эти ошибки обычно не устраняются только одной обработкой пробными проходами.