§ 14. Факторы, влияющие на точность обработки

Упругие деформации технологической системы под влиянием силы резания. При механической обработке станок, приспособление, обра­батываемая заготовка и режущий инструмент представляют собой замкнутую упругую систему, которую далее будем называть т е х н о л о г и ч е с к о й системой.

В процессе обработки сила резания изменяется в результате не­равномерности глубины резания из-за непостоянства размеров за­готовок в партии, нестабильности механических свойств материала заготовок и прогрессирующего затупления инструмента. Сила резания при обработке вызывает упругие отжатия элементов технологической системы. Их величина зависит как от силы резания, так и от жесткости элементов, т. е. их способности противостоять действующей силе.

Нестабильность силы резания и жесткости элементов в их различных сечениях вызывает неравномерность упругих отжатий элементов сис­темы, в результате чего возникают погрешности формы обработанной поверхности у индивидуальных заготовок и колебания размеров за­готовок в партии. Таким образом, точность обработки зависит от жесткости элементов технологической системы.

Жесткость определяется отношением действующей силы к величине деформации, вызываемой этой силой. С точки зрения точности обра­ботки наибольшее значение имеет составляющая силы резания, на­правленная по нормали к обрабатываемой поверхности. Под жесткостью

(в кГ/мм) какого-либо элемента технологической системы (например, шпиндельного узла станка) понимают отношение этой составляющей Р_у силы резания к смещению у данного эле­мента в направлении нормали к обра­батываемой поверхности:

. (27)

Упругие свойства элемента техноло­гической системы можно также харак­теризовать его податливостью, которая представляет собой величину, обратную жесткости.Она определяется отношением перемещения к силе (в мм/кГ)

(28)

В ряде случаев на жесткость узлов оказывают влияние и другие составляющие силы резания. Так, например, жесткость суппорта токарного станка при одновременном действии составляющих Py и P_г силы резания выше, чем при действии только одной радиальной составляющей силы резания P_у.

Жесткости элементов технологической системы находят экспери­ментально. Для этого производят статическое нагружение элемента, возрастающее ступенчато от нуля до некоторой наибольшей величины; для каждой ступени нагружения измеряется отжатие испытуемого элемента в направлении нормали к обрабатывемой поверхности. За­тем производят его разгружение, фиксируя остаточные отжатая;' при нагр ужении и разгружении строят зависимости

При этом нагрузочная 1 и разгрузочная 2 ветви характеристики жесткости обычно не совпадают из-за наличия гистерезиса (рис. 30). При повторных многократных нагружениях и разгружениях петля гистерезиса становится мало заметной. Зависимость упругих отжатий элементов технологической системы от приложенной силы редко выражается законом прямой. Истинную жесткость для каждого теку­щего момента нагружения можно найти, беря отношение прираще­ния силы в данной точке кривой к приращению перемещения. Для упрощения технологических расчетов целесообразно пользоваться

средней жесткостью, беря абсциссу точки А за среднее значение силы, возникающей в процессе обработки на данном станке.

Жесткости большей части элементов технологической системы оп­ределяют экспериментально; лишь жесткости заготовок простых форм (гладкие валы, планки) и некоторых типов инструментов можно найти расчетным путем. Жесткости узлов новых станков дос­ягают 2000 4000 кГ/мм. В отдельных случаях жесткость возрастает до 10 000 кГ/мм. Жесткости узлов изношенных и разрегулированных станков бывают ниже 1000 кГ/мм. Жесткость узлов часто бывает неодинакова в различных направлениях.

С увеличением жесткости повышается точность и производитель­ность обработки. Увеличение жесткости достигается: уменьшением количества стыков в конструкциях станков и приспособлений; пред­варительной затяжкой неподвижных стыков посредством резьбовых креплений; тщательной пригонкой сопряженных поверхностей и умень­шением зазоров; уменьшением длины консоли, высоты или вылета эле­ментов технологической системы и увеличением размеров их опорной поверхности; использованием дополнительных опор, люнетов, направ­ляющих скалок и других элементов для заготовок и инструментов.

Для повышения точности обработки важно не только повышать жесткость элементов технологической системы, но и выравнивать ее неравномерность в. различных сечениях и направлениях. При опре­делении упругих отжатии элементов технологической системы силу резания рассчитывают по формулам теории резания, а жесткость на­ходят экспериментально в статическом состоянии. Сила резания не­постоянна по своей величине. При установившемся режиме резания она мгновенно (скачкообразно) изменяется от некоторого максималь­ного до минимального значения, что обусловливается характером стружкообразования и непостоянством снимаемого припуска. Амп­литуда колебаний силы резания достигает 0,1 ее номинальной величи­ны. Точка приложения силы резания непрерывно перемещается по поверхности обрабатываемой заготовки. Все это придает силе резания не статический, а динамический характер.

В технологических расчетах упругих отжатий значение силы ре­зания следует поэтому умножать на коэффициент динамичности, К. Опыты показывают, что при предварительной обработке этот коэффи­циент можно брать в пределах 1,2 1,4, а при чистовой 1,0 1,2 , причем меньшие значения соответствуют спокойной (безвибрационной) обра­ботке.

Жесткости суппортов, столов, кареток и других узлов не зависят от режимов резания и представляют собой постоянную величину. Лишь жесткости шпинделей, смонтированных на подшипниках сколь­жения с увеличением скорости вращения несколько повышаются. Это обусловлено возрастающим сопротивлением масляного слоя и на­личием гироскопического эффекта вращающихся масс.

Пульсирующий характер силы резания и неоднородная жесткость элементов технологической системы (шпиндельных узлов) по углу поворота предопределяют возникновение вибраций, которые чисто носят характер самовозбуждающихся колебаний (автоколебаний).

Вибрации ухудшают чистоту обработанной поверхности, неблаго­приятно влияют на работу режущего инструмента, а также усиливают динамический характер сил резания. Если частота собственных коле­баний технологической системы совпадает с частотой колебаний при обработке резанием, то возникает явление резонанса, при котором амплитуда колебаний сильно возрастает. С повышением жесткости элементов технологической системы увеличивается частота и умень­шается амплитуда их собственных колебаний.

В процессе обработки упругие перемещения (отжатия) заготовки и режущего инструмента нарушают установленную наладкой станка закономерность их относительного движения. На рис. 31 дана схема

перемещений. До начала обработки на­стройкой станка устанавливают заданную глубину резания t_зад (рис. 31, а). В про­цессе обработки заготовка упруго отжи­мается на величину y₁ а инструмент на величину у₂ (рис. 31, б). В результате этого заданная глубина резания умень­шается до значения . Для отдельных сечений можно написать

(a)

где — жесткость системы заготовка — приспособление — узел станка, на котором при обработке закрепляется заготовка; — жесткость системы инструмент — приспособление (для крепления инструмента) — узел станка, на котором закреплен инструмент. Радиальная составляющая силы резания

Здесь и n показатели степеней у величин s, t и НВ. Обозначим величину через С. Тогда

Подставив развернутые выражения у₁, у₂ и P_y в выражение (а), получим

(б)

При дробном показателе x_р точное решение уравнения (б) относи­тельно t_фаи неизвестно. Приближенное решение можно получить, пренебрегая влиянием упругих деформаций технологической системы на изменение силы резания. Обозначим t_зад — t_фаи = t_ост , где t_ост — погрешность обработки, выражаемая расстоянием между заданной и фактически получаемой границами обработки.

При приближенном решении

(29)

здесь член в скобках представляет собой податливость технологической < п схемы.

Используя полученную формулу можно решать следующие задачи.

Определение погрешности выполняемого размера при обработке партии заготовок.Зная разность между наибольшей и наименьшей величинами t_зад пли поле допуска на размер заготовок, можно получить соответствующее поле рассеяния выполняемого размера как разность между по­лучаемыми наибольшей и наименьшей величинами t_ост. Обозначим поле рассеяния выполняемого размера в данном сечении через . Тогда

Используя выражение (29), получим значение

(30)

Жесткости и берут в направлении по нормали к обраба­тываемой поверхности.

Выведенная формула пригодна для условия, когда коэффициент С постоянен. В действительности при обработке партии заготовок их твердость колеблется в установленных пределах от HB_mах до . Кроме того, в процессе резания происходит прогрессирую­щее затупление режущей кромки инструмента, в связи с чем сила ре­зания к концу периода его стойкости возрастает.

Таким образом.

При определении нужно ориентироваться на работу вновь заточенным инструментом выбранной геометрии. При определении Q max учитывают возрастание силы резания от допустимого откло­нения в геометрии его заточки. С учетом изложенного на основе формулы (30) можно написать более точное выражение для определе­ния :

(31)

Принимая во внимание нестабильность жесткости технологичской системы, величину нужно определять по тем сечениям, где жест­кость минимальна.

Определен и е п о г р е ш н ост и ф о р м ы обрабатываемой поверхности у индивидуальной заготовки. Выражая J_заг (для некоторых частных случаев J_инс) как функцию размеров заготовки, можно вычислить погрешность

формы обрабатываемой поверхности в результате изменения жестко­сти технологической системы на различных участках заготовки.

Принимая при обработке индивидуальной заготовки величины t_зад и С постоянными,, но максимальными по своим значениям, найдем наибольшую погрешность формы обрабатываемой поверхности.

[ (1/ +1/ )-

- ]. (32)

Из полученной формулы видно, что уменьшения погрешности фор­мы обрабатываемой поверхности можно достичь» путем выравнивания жесткости технологической системы в различных сечениях заготовки.

Определение степени уменьшения (копирования) погрешности формы, погрешности взаимного положения поверхностей и по­грешностей размеров заготовки. В условиях упру­гой технологической системы погрешности, полученные на предшест­вующем технологическом переходе, не могут быть полностью устране­ны на выполняемом переходе. С увеличением жесткости технологи­ческой системы упругие отжатия ее элементов уменьшаются, предоп­ределяя соответствующее уменьшение остаточных погрешностей обра­батываемой заготовки. При постоянной жесткости технологической системы в различных сечениях обрабатываемой заготовки и показателе степени при глубине резания, равном единице, происходит копирова­ние первичных погрешностей заготовки в уменьшенном виде. Если, например, поверхность заготовки имеет искажение формы, то посыле обработки это искажение уменьшается, а форма поверхности остается подобной. Предположим, что заготовка, из которой за один проход вытачивают цилиндрическую деталь длиной /, имеет погрешность фор­мы в виде конусности. Величина этой конусности

/ l.

После обработки на детали в результате непрерывно изменяющихся отжатий технологической системы из-за переменной глубины резания возникает остаточная конусность.

/ l.

Коэффициент уменьшения погрешности формы для данного случая

= / (33)

При наличии погрешностей взаимного положения поверхностей заготовки также имеет место явление копирования первичных погреш­ностей. Рассмотрим в качестве примера протачивание торца заготовки, плоскость которого не перпендикулярна к оси вращения. После об­работки за один проход торец останется плоским, а угол его перекоса уменьшится. Если торцовое биение до обработки равно ,то после обработки оно будет .Коэффициент уменьшения погрешности находят также по формуле (33).

В условиях переменной жесткости технологической системы картина изменяется. При обработке заготовки с геометрически правиль­ной формой поверхности и постоянной величиной припуска величина t_ост не будет стабильной из-за непрерывного изменения жесткости системы на различных участках заготовки. В этом случае происходит искажение формы обрабатываемой поверхности. При наличии пог­решностей формы заготовки и дробном показателе степени при глубине резания явление еще более усложняется и обработанная поверх­ность может получить дополнительное искажение формы. Тем не ме­нее, погрешности обработанной детали при достаточно большой жест­кости технологической системы могут быть значительно уменьшены по сравнению с погрешностями исходной заготовки. Поскольку перечис­ленные условия носят общий характер, приходится в целом говорить не о явлениях копирования, а о последовательном уменьшении пер­вичных погрешностей в процессе обработки.

Коэффициент уменьшения погрешностей k_y можно определять как для отдельных размеров в заданном сечении детали, так и для всей ее поверхности в целом. Его величина в общем виде определяется отношением

(34)

где — погрешность обработанной детали; — погрешность исходной заготовки.

Величину этого коэффициента при выдерживании размера в случае обработки партии заготовок можно найти по формуле (34), приняв

=

= =

Найдем этот коэффициент для характеристики уменьшения пог­решности формы обтачиваемой за один проход шейки вала в условиях переменной жесткости технологической системы:

(35)

где -погрешность формы обтачиваемой шейки вала; -погрешность формы шейки заготовки;

Величины и можно найти по формуле

предварительно вычислив для отдельных сечений наибольшее и нал-меньшее значения произведен

Аналогичным путем можно найти этот коэффициент и для харак­теристики уменьшения погрешности взаимного положения поверх­ностей детали.

При обработке за несколько проходов общий коэффициент умень­шения погрешностей

(36)

где п — количество проходов, а ... — коэффициенты умень­шения погрешностей, полученные на отдельных проходах.

Коэффициент уменьшения погрешностей всегда меньше единицы. Поэтому при большом количестве проходов величина k_oy получа­ется очень малой.

Рассмотрим обработку поверхности заготовки за несколько (n) проходов па одном и том же станке, приняв (обычно 0,9 < < 1,0). Согласно определению общий коэффициент уменьшения по­грешностей

(a)

где Z_max и Z_min — наибольший и наименьший припуски на все про­ходы обработки поверхности в партии заготовок.

В то же время

(б)

Здесь

Здесь — допуск на размер заготовки и

Приняв во внимание, что в выражениях (а) и (б) получим

.

Используя полученное выражение можно найти: 1) необходимую жесткость технологической системы, если задано число проходов n,допуск на размер заготовки и допустимая погрешность обработки детали

(37)

2) число проходов , если известна жесткость технологической системы

. (38)

Формулы (31), (32) и (34) позволяют определять возникающие при механической обработке погрешности размеров, формы и взаим­ного положения поверхностей детали. Анализ этих формул позволяет сделать следующие выводы.

При обработке партии заготовок на предварительно настроенном станке точность выдерживаемых размеров возрастает с увеличением

жесткости технологической системы, т. е. уменьшением члена

в формуле (31); повышением точности выполнения исходных заготовок, т. е. уменьшением разности t_зад. _mах — t_зад. _min; повы­шением однородности механических свойств обрабатываемого мате­риала и стабильности условий выполняемой обработки, т. е. умень­шением разности С_mах — C_mln.

При обработке индивидуальной заготовки на предварительно наст­роенном станке или методом индивидуального получения размера воз­никающая погрешность формы обрабатываемой поверхности может быть уменьшена в результате выравнивания жесткости технологи­ческой системы, т. е. уменьшения члена в квадратных скобках в фор­муле (32); уменьшения снимаемого припуска, т. е. глубины резания t_зад. _mах (это, в частности, можно получить при обработке за несколько проходов); а также уменьшения силы резания, вследствие улучше­ния геометрии и качества заточки режущего инструмента, а в отдель­ных случаях и уменьшения подачи [С_mах в формуле (32)]. Учитывая явления копирования, следует также повышать точность формы обра­батываемой поверхности заготовки

Для уменьшения погрешностей взаимного положения поверхностей детали, как это видно из формулы (34), нужно повышать жесткость технологической системы, точность выполнения заготовки (в резуль­тате чего уменьшается разность , а также при­нимать указанные выше меры для уменьшения силы резания.

Уменьшение погрешностей формы и взаимного положения обра­батываемых поверхностей детали может быть достигнуто и другими технологическими мероприятиями. Погрешность формы можно, нап­ример, уменьшить, ведя обработку с непрерывно изменяющейся по­дачей. По мере приближения режущего инструмента к участку с наи­большей жесткостью подача увеличивается. В результате этого можно

получить постоянное значение t_ост по всей обрабатываемой поверх­ности. Изменение подачи в функции пути должно происходить по та­кому закону, чтобы упругие отжимы (при постоянном припуске) были постоянны.

Обработка с переменной подачей не только уменьшает погрешность формы поверхности, но и сокращает время ее обработки. Непрерывное изменение подачи в станках по заданному закону может быть обеспе­чено при помощи механических, гидравлических или иных устройств.

Повышения точности и производительности обработки достигают также применением адаптивных устройств управления технологи­чески ivi и системами [1]. При непостоянстве припуска или твердости материала заготовок эти устройства самонастраиваются автомати­чески, изменяя режим обработки. На станках с программным управ­лением повышение точности формы можно достичь, применяя предъискажение траектории движения режущего инструмента, записываемое на программоноситель (перфоленту, магнитную ленту).

Рассмотрим численное определение погрешности обработки, вы­зываемое упругими отжатиями элементов технологической системы.

Пример 1. Определить продолы рассеяния диаметральных размеров партии стальных шайб, обтачиваемых на предварительно настроенном станке. Заготовки шайб закрепляют на консольной оправке. Жесткость узла шпиндель—оправка-заготовка = 500 кГ/мм. Жесткость узла суппорт-резец = 800 кГ/мм, t_зад. _mах = 4 мм; t_зад. _min =2.5 мм; С_mах = 130; C_min = 100. Показатель сте­пени при глубине резания = 0,9.

Решение. Разность предельных величин упругих отжатий для партии шайб после обтачивания найдем по формуле (31). Подставляя известные величины, по­лучаем

Разность предельных значений диаметральных размеров шайб после обта­чивания равна удвоенной величине , т. е. 1,56 мм.

Пример 2. Определить погрешность формы консолью обтачиваемой заготов­ки. Жесткость заготовки на свободном конце = 300 кГ/мм, жесткость заготовки в месте закрепления =500 кГ/мм. Жесткость узла суппорт-резец , = 800 кГ/мм, мм, С_mах =130; = 0,9.

Решение. Погрешность формы обточенной поверхности находим по формуле (32)

Пример3.Определить число проходов для условий обработки примера 1, если допустимая погрешность размера детали составляет 0,4 мм (на диаметр).

Решение.По формуле (38) находим число проходов ,приняв = 1.

Принимаем n = 2.

На основе общей зависимости (29) можно получить расчетные фор­мулы для различных случаев одноинструментной обработки. При выводе этих формул необходимо обобщенные значения и выразить через конкретные величины жесткостей элементов данной технологической системы.

Рассмотрим обработку гладкого вала в центрах токарного станка. Для любого поперечного сечения обрабатываемой заготовки можно написать уравнение

где y₁ — смещение заготовки, вызываемое упругими отжатиями пе­редней и задней бабок; у₂ — прогиб заготовки в месте приложения силы Р_у; — упругий отжим суппорта.

По аналогии со случаем жесткой балки на двух упругих опорах будем иметь

где x-расстояние от переднего центра до рассматриваемого сечения;l-длинна заготовки; -жесткость передней бабки; -жесткость задней бабки;

Учитывая, что получаем окончательно

(39)

Три первых слагаемых в квадратных скобках представляют собой развернутое выражение величины , а слагаемое - ве­личину Погрешности обработки t_Ост, полученные по этому уравнению для различных сечений заготовки, отсчитывают от заданной теоретической образующей обработанной поверхности. При малой жесткости заготовки третий член в квадратных скобках относительно велик. В этом случае форма обработанной поверхности гладкого вала получается бочкообразной (рис. 32, а). При большой жесткости-заготовки этот член мал. Если обработка производится на станке с пониженной жесткостью, то форма обточенной поверхности полу­чается корсетной, т. е. с утолщениями по краям (рис. 32, б). При большой жесткости передней бабки и малой жесткости задней обра­зующая обточенного жесткого вала имеет утолщение с одной стороны (рис. 32, в). Тонкими линиями показаны теоретические (заданные) образующие обработанного вала, а жирными — фактически полу­чаемые.

Рассмотрим обработку валов на круглошлифовальных станках. Если ширина шлифовального круга мала, то его давление на .заготовку в радиальном направлении осуществляется по небольшой площадке. По аналогии с точением в центрах уравнение образующей прошли­фованной за один проход заготовки может быть представлено следую­щим выражением:

(40)

где -жесткость узла шпинделя шлифовального круга

При многопроходном шлифовании с определенными условиями можно получить постепенное уменьшение погрешностей после каж­дого прохода. На рис. 33, а схематически показаны слои металла, соответствующие различным проходам при постоянной подаче шлифо­вального круга на глубину. Сплошные линии означают границы сни­маемых слоев при абсолютно жесткой технологической системы. Штриховыми линиями указаны фактические профили заготовки после отдельных проходов. Рассматривая какое-либо поперечное сечение заготовки (1—1 или 2—2), можно видеть, что при достаточно большой

подаче на глубину на каж­дом последующем проходе погрешность обработки t_ост увеличивается. Это накопление погрешности будет большим там, где жесткость технологической системы меньше. Накопле­ние погрешностей обус­ловлено тем, что на всех последующих проходах заданная глубина резания возрастает на системати­чески увеличивающую пог­решность обработки t_ост .

Показатель степени при глубине резания для мно­гих случаев близок к единице. Приняв = 1 и обозначив произведение коэффициента С на

член в квадратных скобках в формуле (40) через А (A<1) будем иметь:

погрешность после второго прохода

погрешность после n-го прохода

(41)

На рис. 33, б показан график роста погрешностей после каж­дого последующего прохода. Кривая 1 характеризует накопление погрешностей при менее жесткой, а кривая 2 при более жесткой сис­теме.

Чтобы при каждом последующем проходе не происходило увели­чения погрешности обработки, (как это показано на рис. 33, б, кри­вая 3) необходимо выдержать следующие условия. Если при первом проходе подача на глубину составляет то соответствующая ей погрешность обработки

Чтобы при втором проходе погрешность обработки t_2ост не превы­шала t_1ост необходимо подачу круга на глубину принять

При третьем проходе

и т. д. Таким образом, на всех последующих проходах (начиная со вто­рого), подача круга на глубину должна быть установлена постоянной, но меньше, чем при первом проходе на величину t_1ост.

При желании получить постепенное уменьшение погрешностей обработки, при каждом последующем проходе необходимо подачу на глубину уменьшать на определенную величину. В данном случае должно выдерживаться условие

где а — некоторая постоянная величина, зависящая от жесткости технологической системы.

Изменение погрешностей обработки соответственно написанному выражению, характеризует кривая 4. При шлифовании с «выхажи­ванием» погрешность обработки при каждом последующем проходе уменьшается (кривая 5). Количество проходов, необходимых для достижения допустимой остаточной погрешности, зависит от жесткости технологической системы. Если после последнего прохода, осуществля­емого с подачей круга на глубину, погрешность обработки получи­лась равной t_1ост , то после второго прохода с выключенной подачей погрешность обработки .

После третьего прохода погрешность обработки

.

После n-го прохода

Чем жестче система, тем круче падение кривой и, следовательно, для достижения заданной точности обработки необходимо меньшее количество проходов.

Логарифмируя выражение , можно найти необходимое коли­чество проходов для получения заданной точности обработки:

(42)

В приведенных примерах во внимание принималось только дей­ствие составляющей силы резания Р_у . В некоторых случаях прихо­дится учитывать также и влияние оставляющей Р_х .

При многоинструментной обработке по принципу параллельной концентрации технологических переходов расчет погрешностей при­ходится делать по отдельным обрабатываемым участкам (поверхно­стям) заготовки. Для каждого участка погрешность формы может быть найдена вычислением фактической глубины резания в разных сечениях. Расчеты эти более сложны. Примеры их рассмотрены в специальной литературе [5].

Деформация заготовок от действия зажимных сил. При закреплении заготовок в приспособлениях или непосредственно на станке при по­мощи универсальных устройств часто возникают их общие или местные деформации. Эти деформации обычно вызывают погрешности формы обработанной поверхности. Так, при закреплении тонкостенного кольца в трех кулачковом патроне оно деформируется, принимая форму, показанную на рис. 34, а. После расточки отверстия обрабо­танная поверхность сохраняет правильную форму до открепления заготовок (рис. 34, б). После снятия заготовки из патрона кольцо упруго восстанавливает свою деформированную зажимными силами Q форму, а обработанная поверхность искажается (рис. 34, в). Пог­решность формы этой поверхности определяется разностью диаметров вписанной и описанной окружностей.

Зная абсолютные значения прогиба у₁ кольца в местах контакта его с кулачками и его выпучивания у₂ между кулачками при закреплении можно погрешность формы представить в виде следующего выражения

(43)

Значения и приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения прогибов и выпучиваний тонкостенных колец

при закреплении в патронах

Схема закрепления	Прогиб кольца y1	Выпучивание кольца y2	Погрешность формы Δф
В трехкулачковом патроне . . . .	0,016С	-0,014С	0,06С
В четырехкулач-ковом патроне . . .	0,016С	-0,005С	0,023С
В шестикулач-ковом патроне . . .	0,0017С	-0,0016С	0,006С

II р и м е ч а н и е.

мм,

где q — сила на кулачке, кГ; R — радиус окружности, проходящей через нейтральную ось поперечного сечения кольца, мм; Е — модуль упругости материала кольца, ; J-мо­мент инерции поперечного сечения кольца, мм⁴ .

Относительно большие деформации могут возникать при закреплении тонкостенных нежестких заготовок (кольца, гильзы, трубы, корпусные и другие детали). Эти деформации снижают работоспособ­ность деталей в машинах. Так, некруглость колец может снизить долговечность подшипников качения в несколько раз. Для их умень­шения (что очень важно на отделочных операциях обработки) следует правильно выбирать схему установки и закрепления. Для уменьше­ния прогиба стенок корпусных деталей, рычагов и других деталей нужно стремиться к тому, чтобы зажимные силы были приложены против установочных элементов приспособления. В ряде случаев для уменьшения деформации обрабатываемых заготовок при закреплении применяют приспособления специального типа. Так, для уменьшения радиальных деформаций колец применяют их закрепление по торцам.

Размерный износ режущего инструмента. В процессе обработки наблюдается износ режущего инструмента. При чистовой обработке происходит износ по задней поверхности (рис. 35, а). Следствием этого является как бы отдаление режущей кромке на величину и от обрабатываемой поверхности. Износ, вызываемый трением, в про­цессе обработки протекает непрерывно. Его величину в первом при­ближении можно считать прямо пропорциональной времени резания или пути, пройденному режущим инструментом в металле заготовки.

У инструментов, изготовленных из некоторых сталей (например, ХВГ), помимо истирания контактных поверхностей, наблюдается ок-

ругление режущей кромки. У твердосплавного инструмента в большей мере, чем у всех остальных, режущая кромка подвержена выкраши­ванию.

Величину размерного износа инструментов определяют по нормали к обрабатываемой поверхности пли (что менее точно) умножением ширины фаски h на тангенс заднего угла (см , рис. 35, а).

Изучение размерного износа показало, что этот процесс не подчи­няется строго линейному закону (рис. 35, б). Первый непродолжи­тельный период работы режущего инструмента сопровождается повы­шенным размерным износом (участок 1 ). Второй (основной) период характеризуется нормальным износом инструмента (участок 11).

Участок 11 прямолинеен и проходит под небольшим углом наклона к оси абсцисс. Третий период (участок 111) связан с быстрым износом инструмента; через короткий промежуток времени происходит разру­шение его режущей кромки.

Интенсивность размерного износа на участке 11 можно характе­ризовать тангенсом угла наклона этого участка к оси абсцисс. Дан­ную величину принято называть от носитель н ы м (удельным) и з н о с о м :

где — размерный износ, полученный за время основного периода работы инструмента; — путь резания, соответствующий этому же периоду работы инструмента.

Удобная для расчетов размерность величины мк/км. Упроще­ние расчета размерного износа можно получить, заменив кривую на рис. 35, б прямой aa. Эта прямая совпадает с кривой на участке 11 и отсекает на оси ординат отрезок , который характеризует вели­чину износа на участке 1. Величину называют н а ч а л ь н ы м и з н о с о м и выражают в мкм. Зная для данных условий обработки

значеня и можно определить размерный износ (в мкм), на длине пути резания L по формуле

(44) где L — в метрах.

Приняв за основу формулу (44), можно представить ее в следующич видоизменениях для различных методов обработки: при продольном точении

(45)

где d и l — диаметр и длина обрабатываемой поверхности; s — пода­ча на оборот.

При строгании

(46)

Здесь / и В — длина и ширина обрабатываемой прямоугольной плос­кости; s — подача на один двойной ход.

При протягивании партии деталей

(47)

где l — длина протягиваемого отверстия и n — количество деталей и партии.

Величина относительного износа зависит от метода обработки, обрабатываемого материала, материала режущего инструмента, ре­жимов резания и геометрии режущего инструмента.

Обрабатываемый материал и, в частности, его твердость оказывают большое влияние на относительный износ инструмента. С повышением твердости материала относительный износ возрастает. Влияние обра­батываемого материала и материала режущего инструмента на значе­ния величин и приведены в табл. 4.

Таблица 4

Средние значения начального (u_н) и относительного

(u₀) износа режущих инструментов при чистовом точении и растачивании

Обрабатываемый материал	Материал режущего инструмента	Начальный износ, мкм	Относительный износ, мкм/км
Сталь углеродистая и легированная Серый чугун Сталь углеродистая и легированная Закалённый чугун НВ400 Цветные сплавы	Т15К6, Т30К4 ВК4 ВК8 Минералокерамичес-кие пластинки ЦМ332 То же Алмаз (при тонком растачивании)	2-8 3-10 1-3 10 -	2-10 3-12 0,5-1,0 9 0,0005-0,001

При обработке заготовок больших размеров размерный износ ре­жущего инструмента влияет на искажение формы их поверхностей.

Если обтачиванию подвергается длинный вал большого диаметра, то по мере перемещения резца от задней бабки к передней диаметр обрабатываемой поверхности непрерывно возрастает и поверхность получается слабо конической. Появление конусности также наблю­дается при растачивании глубоких отверстий.

При обработке партии небольших заготовок искажение формы по­верхностей невелико. Размерный износ инструмента в этом случае сказывается на непрерывном увеличении размеров деталей в партии. При обтачивании партии валиков диаметр последнего валика увели­чивается на .

Пример. На токарно-револьверном станке обрабатывается партия деталей из стали 45. Диаметр обтачиваемой поверхности детали d = 20 мм, длина l= 30 подача s = 0,3 мм/об, скорость резания 100 м/мин; резец с пластинкой из твердого сплава Т15К6. Определить увеличение диаметра последней детали в пар­тии из 500 шт, если обработка ведется без подналадки инструмента.

Решение. Размерный износ определяем по формуле

где п — количество деталей в партии gппартии.

Приняв по табл. 4 и_п -= 5 мкм и и₀ ~ 10 мкм/км, получим

Приняв по табл. 4 и получим

Увеличение диаметра последней детали в партии составляет = 72 мкм.

Уменьшать влияние размерного износа на точность механической обработки можно периодической подналадкой станка за время стой­кости инструмента. Этот метод может быть применен для резцов, фрез и других инструментов, допускающих корректировку настроеч­ного размера изменением расстояния между заготовкой и режущей кромкой инструмента, а также для инструментов, имеющих регули­ровку (раздвижные развертки, бор штанги).

При обтачивании, растачивании и строгании больших поверхностей небольшой размерный износ имеют резцы с широкой режущей кромкой. Работа этих резцов протекает с большими подачами; поэтому путь резца в металле, а следовательно, и размерный износ инструмента получаются небольшими. При обработке деталей методом пробных проходов от размерного износа зависит только точность формы обра­батываемой поверхности. При обработке деталей на настроенных станках размерный износ режущих инструментов можно своевременно контролировать проверкой изделий обычными методами или средствами статистического контроля. В обычных условиях размерный износ обнаруживается непрерывным увеличением выполняемого размера. Производя в нужный момент подналадку или смену режущего инстру­мента, можно регламентировать влияние размерного износа на точ­ность обработки в желаемых пределах. Таким образом, точность обра­ботки в определенной степени зависит от субъективного (волевого) фактора.

Применение автоматических подналадчиков в значительной мере уменьшает влияние размерного износа режущего инструмента на точ­ность обработки. На рис. 35, в дана схема работы автоматического подналадчика. По оси ординат отложено приращение радиальных

размеров обрабатываемых деталей в результате размерного износа инструмента, по оси абсцисс—время или путь резания. Верхняя кри­вая характеризует протекание размерного износа. Расстояние с между осью абсцисс и линией аа равно некоторой части допуска на выполняе­мый размер. Если размер обрабатываемой детали выходит за установ­ленные пределы, то подналадчик корректирует положение режущего инструмента. Работа подналадчика характеризуется вертикальными участками пилообразной линии на рис. 35, в.

Прогрессирующий износ и затупление режущего инструмента вызывает также увеличение радиальной составляющей силы резания. За период стойкости инструмента сила Р_у может возрасти на несколь­ко десятков процентов от ее первоначального значения. При больших значениях Р_у и пониженных жесткостях технологической системы погрешности обработки, вызванные возрастанием радиальной состав­ляющей силы резания, могут быть сопоставимы по величине с погреш­ностями в результате размерного износа инструмента.

При абразивной обработке на точность влияет размерный износ шлифовальных кругов. В процессе шлифования круги могут работать с затуплением и самозатачиванием. В первом случае затупившиеся зерна не отделяются и поры круга забиваются стружкой; износ круга при этом сравнительно мал. Для восстановления режущих свойств шлифовального круга его правят, срезая тонкий наружный слой. Во втором случае затупленные зерна силами резания вырываются из связки круга. При этом режущая поверхность круга непрерывно обновляется, так как в работу вступают новые не затупленные зерна. Работа с самозатачиванием связана с большим износом круга. При этом круг также правят для восстановления геометрических форм, так как его износ протекает неравномерно.

Интенсивность износа шлифовального круга зависит от его диамет­ра. Круги большого диаметра, обычно применяемые при наружном круглом шлифовании, изнашиваются во много раз медленнее, чем круги, используемые при внутреннем шлифовании. Если правка кру­гов при круглом шлифовании производится через 15—20 мин, то на внутришлифовальных станках, работающих по автоматическому или полуавтоматическому циклу, круг правят перед каждым чисто­вым проходом.

Обработку заготовок на кругло шлифовальных и внутришлифо­вальных станках обычно производят методом пробных измерений. В этом случае износ круга не оказывает влияния на точность выполняе­мых размеров. При использовании индикаторных скоб, позволяющих производить измерение обрабатываемой поверхности на ходу, а также средств активного контроля влияние износа круга исключено. Приб­лиженным путем износ шлифовального круга можно определить по объему удаляемого металла с обрабатываемых заготовок. Про­изводственными наблюдениями установлено, что на один объем ма­териала круга, теряемого при его износе, приходится в среднем 20 объе­мов удаляемого металла. На основе этого соотношения размерный износ и (на радиус) шлифовального круга можно рассчитывать следую­щим образом. Обозначим F— шлифуемую поверхность, ; z —снимаемый припуск, мм; п — число деталей в партии; F_K — рабочую поверхность шлифовального крута, . Тогда

откуда

(48)

Погрешности настройки станка. Периодическая смена затупив­шегося инструмента вызывает необходимость каждый раз настраивать станок на выполняемый размер. При малых допусках приходится делать одну или несколько поднастроек за время стойкости инстру­мента путем регулировки его положения относительно детали для ком­пенсации размерного износа. Задача настройки и поднастройки зак­лючается в том, чтобы выполняемые размеры всех деталей партии на­ходились в пределах поля допуска.

В настоящее время известны два принципиально различных мето­да настройки. По первому методу установку режущего инструмента производят последовательным приближением к заданному настроеч­ному размеру в результате обработки на станке пробных деталей, размеры которых проверяют универсальными измерительными инстру­ментами или предельными калибрами. По данным проверки пробных деталей определяют величину и направление необходимого смещения инструмента. По второму методу режущий инструмент устанавливают в требуемое, заранее рассчитанное по эталону положение. Установку инструмента производят в нерабочем (статическом) состоянии станка или вне его (при использовании съемных суппортов, расточных ска­лок, револьверных головок и других устройств).

При каждой смене режущего инструмента невозможно обеспечить его установку так, чтобы он занимал совершенно одинаковое положение на станке. Для отдельных партий обрабатываемых деталей оно будет различным. Условимся расстояние между двумя предельными поло­жениями инструмента или поле рассеяния его положений называть погрешностью настройки станка. Эту величину обозначим . Вели­чина зависит от метода выполнения настройки станка и представля­ет собой разность между максимальным и минимальным настроечными размерами. Величина погрешности настройки определяется квалифи­кацией наладчика и точностью применяемого измерительного инстру­мента и эталонов. При выполнении настройки по пробным деталям погрешность настройки является также функцией неточности рас­чета, свойственной данному методу. При настройке по пробным де­талям о точности настройки судят по результатам измерений обрабо­танных деталей. Обычно среднее арифметическое из полученных размеров принимают за центр группирования размеров у партии де­талей, обрабатываемых при данной настройке. Задача настройщика — добиться возможно полного совмещения этого центра группирования с точкой, соответствующей настроечному размеру. Если вычисленное значение среднего арифметического из размеров пробных деталей от­личается от настроечного размера, то настройщик производит кор­ректировку (регулирование) положения инструмента при помощи лимба или другого устройства.

Наличие погрешностей измерения пробных деталей и пог­решностей регулирования положения инструмента приводит к тому, что центр группирования кривой распределения для каждой партии деталей смещается относительно настроечного размера. Если считать, что неточность измерения пробных деталей и регулирования положения инструмента обусловлено влиянием случайных погреш­ностей, то сложение величин и можно производить по правилу квадратного корня:

(49)

где k= 1 1,2 — коэффициент, учитывающий отклонение закона распределения погрешностей измерения и регулирования от нормаль­ного закона.

Значения и приводятся в литературе [4].

Если учесть, что определение величины необходимого смещения инструмента связано с погрешностью метода ее расчета, то погреш­ность настройки возрастет до

(50)

где — погрешность метода расчета смещения инструмента; эта величина определяется погрешностью вычисления средней ариф­метической для пробных деталей. Как известно,

где — среднее квадратичное отклонение, характеризующее точность данного метода обработки; — количество пробных деталей ( = 5 10).

Если неизвестно, то приближенно можно принять

где — допуск на выдерживаемый размер.

С достаточной для практических целей точностью можно принимать погрешность настройки равной 2 или брать ее равной 0,1 .

Несколько реже применяют настройку станка по пробным деталям с использованием предельных и нормальных калибров. Способ этот менее точен [4] и требует большого количества пробных деталей.

Установку режущего инструмента по эталону обычно применяют при наладке фрезерных и токарных станков. Щупом проверяют рас­стояние между плоскостью эталона, закрепленного па корпусе при­способления, и зубом фрезы. Точность установки по щупу зависит от квалификации рабочего, величины радиального биения зубьев фрезы (так как установку можно вести по наиболее или наименее выс­тупающему зубу), а также от точности изготовления и степени износа эталона и щупа. Погрешность установки по щупу в данном случае можно ориентировочно оценить в пределах 15—45 мкм.

Настройку по эталону следует отнести к так называемому стати­ческому методу, так как установка инструмента на размер произво­дится при неработающем станке. В этом случае упругие отжимы

звеньев технологической системы приходится учитывать, корректи­руя соответствующим образом размер эталона. Настройка по эталону отнимает значительно меньше времени, чем другие методы. Особые преимущества имеет данный метод при настройке токарных многорез­цовых станков. Необходимое положение резцов в радиальном и осе­вом направлениях определяется доведением их режущих кромок до соприкасания с соответствующими поверхностями эталона. Пос­ледний выполняют в виде обрабатываемой детали и устанавливают в центрах станка. Погрешность настройки по эталону находим по фор­муле

(51)

Погрешность изготовления эталона можно брать в пределах 10—20 мкм, а эксцентриситет шеек эталона в пределах 5 мкм. Погрешность установки инструмента по щупу или полоскам бумаги можно принимать равной 20—50 мкм. При k = 1, составляет 25—60 мкм. Большие значения можно отнести к настройке обычной точности, а меньшие — к повышенной.

В некоторых случаях необходимо отводить инструмент от обрабатываемой заготовки и затем вновь ставить его в прежнее положение, что производится при помощи жестких или индикаторных упоров. Для обычных условий погрешность установки по жесткому упору составляет 20—50 мкм. Квалифицированный рабочий может ее снизить до 10—15 мкм. Погрешность установки по индикаторным упорам значительно меньше и лежит в пределах 10—20 мкм.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы. Настройка по пробным деталям обеспечивает высокую точность, но трудоемка. В условиях массового производства при обработке на автоматах и много инструментальных станках на настройку затрачивается до 20 % общего фонда времени. К недостаткам метода следует отнести и то, что часть пробных деталей идет в брак. Это совершенно неприемлемо для крупных и дорогих изделий. Метод настройки по пробным деталям находит применение для станков с относительно простой наладкой и при небольших размерах обрабатываемых деталей.

Настройка по эталонам менее трудоемка, что обеспечивает более полное использование оборудования во времени. Она дает надежные и стабильные результаты в отношении точности и исключает расход пробных деталей. Преимущества этого метода особенно выделяются для операций обработки с много инструментным оснащением. Настройка по эталону не связана с использованием наладчиков высокой квалификации и может производиться вне станка при наличии сменных инструментальных блоков, суппортов и револьверных головок.

Геометрические неточности станка. Каждый металлообрабатывающий станок состоит из ряда узлов, представляющих собой отдельные звенья единой технологической системы. Одни узлы связаны с обрабатываемой заготовкой, другие — с режущим инструментом. Погрешности взаимного положения неподвижно закрепленных или перемещаемых узлов станка вызванные неточностями его сборки, являются причиной возникновения погрешностей механической обработки.

Погрешности взаимного положения узлов станка (геометрические погрешности станка) влияют на форму и расположение обрабатываемых поверхностей детали, но не оказывают непосредственного влияния на их размеры. Помимо неточностей сборки и неправильной обработки основных деталей станка, его геометрические погрешности могут быть следствием износа.

Допустимые геометрические погрешности станков различного типа регламентированы нормами точности на их приемку приведенными в соответствующих ГОСТах. В этих же нормах даются методы проверки точности. Проверку осуществляют в ненагруженном состоянии, при неподвижном положении узлов станка или медленном их перемещении вручную. В ряде случаев на геометрические погрешности станка влияют неточности его установки и неправильное крепление на фундаменте. Погрешности, указанные в ГОСТе, относятся к новым станкам. Для станков, вышедших из ремонта, нормы точности принимают несколько ниже.

Точность станков влияет на точность обработки. Однако оба понятия нельзя отождествлять. Нормы точности обработки всегда ниже норм точности соответствующих станков. В качестве примера рассмотрим влияние геометрических неточностей станков токарного типа на погрешности механической обработки.

При обработке заготовок, закрепленных в патроне, возможна конусность обтачиваемой цилиндрической поверхности, из-за непараллельности оси вращения шпинделя направляющим станины в горизонтальной плоскости. Если отклонение оси вращения на длине L составляет a, то получаемая конусность обработанной поверхности

При отклонении оси вращения только в вертикальной плоскости обтачиваемая поверхность принимает форму гиперболоида. На рис. 36, а ось ОХ представляет собой ось вращения заготовки. Прямая АС — траектория движения резца наклонена к плоскости ХОУ под углом :

где — отклонение оси вращения в вертикальной плоскости на длине .Обозначив радиус обтачиваемой поверхности при x=0 через ,найдем его величину для любого значения x:

.

Подставим вместо его значение ,получим

(52)

что представляет собой уравнение гиперболы.

Это легко показать, заменив через , если измерять радиус обтачиваемой поверхности в направлении оси . После преобразований будем иметь

Приращение радиуса обтачиваемой поверхности ( рис. 36, б)

. (53)

Если ось вращения одновременно отклонена в горизонтальной и вертикальной плоскостях, то обтачиваемая поверхность также представляет собой гиперболоид.

Обозначив а — отклонение оси вращения в горизонтальной и и Ь — в вертикальной плоскостях, получим радиус обтачиваемой поверхности при любом значении х:

(54)

Приращение радиуса обтачиваемой поверхности

(55)

Если вместо цилиндрической обтачивается конусная поверхность, то при отклонении оси вращения в горизонтальной плоскости происходит изменение конусности обрабатываемой поверхности на величину i= 2a/L.

Отклонение оси вращения в вертикальной плоскости, а также одновременно в горизонтальной и вертикальной плоскостях приводит к образованию вместо конической поверхности гиперболоида.

При шлифовании конических поверхностей смещение оси круга по высоте также приводит к искажению формы шлифуемой поверхности; образующая возникающей при этом поверхности получается не прямолинейной, а выпуклой.

В процессе изготовления колец конических роликовых подшипников эту поверхность, называемую бомбиной или квазигиперболоидом , часто создают искусственно в целях повышения долговечности подшипников.

Неперпендикулярность оси шпинделя к направляющим ползуна каретки в горизонтальной плоскости приводит при протачивании торцовых плоскостей к образованию вогнутых или выпуклых конических поверхностей. Вогнутая поверхность получается при углах между осью шпинделя и направлением движения резца больше 90°, выпуклая — при углах меньше 90°. Установка резца выше или ниже оси вращения приводит к образованию вместо конуса поверхности гиперболоида. Если ось шпинделя наклонена в вертикальной плоскости, го торец протачиваемой заготовки во всех случаях получается плоским. Смещение резца но высоте не вызывает искажения формы торцовой плоскости.

При обработке в центрах их неправильное положение может вызвать характерные погрешности формы и взаимного положения обтачиваемых шеек. Практически встречаются следующие случаи.

Передний центр «бьет», т. е. расположен эксцентрично относительно оси вращения шпинделя, ось заднего центра совпадает с осью вращения; ось обточенной поверхности не совпадает при этом с линией центров заготовки. Если заготовка обтачивается за две установки

(с перевертыванием ее и перестановкой поводкового хомутика), то деталь получается двухосная. Так как угловое положение хомутика ничем не лимитировано, то в общем случае эти оси перекрещиваются, а в частном случае могут пересекаться под углом , где угол определяется из равенства

Здесь — смещение центра передней бабки; — расстояние между центрами.

Возможно также смещение на величину , но параллельное расположение обточенных шеек заготовки. На рис. 37, а и б показаны два последних случая, когда протачивание за каждую установку производится на половину длины детали.

Передний центр установлен концентрично оси вращения, а задний смещен в горизонтальной плоскости. Обтачиваемая цилиндрическая поверхность получается конической.

Если задний центр расположен выше или ниже оси вращения, образующая обтачиваемой поверхности представляет собой гиперболу, вершина которой лежит у переднего центра, Гипербола получается также и в том случае, когда задний центр одновременно смещен в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Если передний центр бьет, а задний смещен в горизонтальной плоскости, то обточенные за две установки участки вала получаются несоосными. Форма обточенных цилиндрических поверхностей искажается в результате образования конусности. В зависимости от смещения заднего центра вперед или назад вершины конусов расположены к концам или к середине вала.

Когда передний центр бьет, а задний смещен в вертикальной или в вертикальной и горизонтальной плоскостях, то при обработке за две установки обточенные участки получаются несоосными, а их форма искажается, так как вместо прямолинейной образующей возникает гипербола.

Биение центров у точных токарных станков допускается до 0,01 мм. Уменьшение биения переднего центра достигается шлифованием после установки его в шпиндель токарного станка.

Несоосность шеек может быть устранена, если обработка ведется па станках с так называемыми «мертвыми» центрами, т. е. на станках, у которых передний и задний центры неподвижны.

Искажение формы образующей обтачиваемой поверхности может быть следствием не прямолинейности и износа направляющих станины, по которым перемещается каретка суппорта. Отклонение от прямолинейности не должно превышать 0,02 мм на 1 м длины.

Не прямолинейность направляющих в вертикальной плоскости мало влияет на изменение диаметральных размеров обрабатываемых заготовок по длине. В то же время не прямолинейность направляющих в горизонтальной плоскости оказывает непосредственное влияние на точность этих размеров. Местное искривление направляющих в результате износа может повлечь за собой образование обрабатываемой поверхности с криволинейной образующей. Износ направляющих при обработке чугунных заготовок больше, чем при обработке стальных, а при обдирке больше, чем при чистовой обработке, в результате больших усилий резания и наличия в снимаемом слое металла окалины и формовочного песка. Интенсивность износа направляющих зависит от коэффициента загрузки станка во времени. В массовом производстве, где этот коэффициент сравнительно высок, износ протекает интенсивнее, чем в серийном и единичном.

Некруглость обточенных поверхностей, лимитируемая строгим требованиями производства точных и быстроходных машин, вызывается изменением положения оси вращения шпинделя станка в процессе обработки. Если шпиндель вращается в подшипниках скольжения, то под действием постоянной по величине и направлению силы резания он отжимается в одну сторону к определенным участкам поверхности подшипников. При этом условии овальность шеек шпинделя передается обтачиваемым поверхностям. Для уменьшения погрешностей формы обтачиваемых поверхностей в поперечном сечении допустимая овальность шеек шпинделя должна быть минимальной. У станков обычной точности овальность может быть не больше 5 мкм. У станков повышенной точности она меньше и часто лежит в пределах чувствительности точных измерительных инструментов.

Овальность несущей поверхности подшипников оказывает меньшее влияние на точность обработки. При неустойчивом режиме резания и неустановившемся характере смазки, когда возможен переход от жидкостного к граничному трению, шпиндель может занимать разное (неопределенное) положение в подшипнике. Такое же явление

наблюдается при чистовом обтачивании. В этом случае радиальная составляющая силы резания мала и зазор в подшипниках полностью по одну сторону не устраняется. В результате этого погрешность выполняемых диаметральных размеров составляет 3—8 мкм (при диаметральных зазорах 0,01—0,02 мм). Овальность подшипников при попеременном поднимании и опускании в них шпинделя вызывает соответствующее искажение формы обтачиваемых поверхностей.

При установке шпинделей на подшипники качения большое значение имеет ограничение их биения, так как оно передается обтачиваемым поверхностям. Для шпинделей токарных и других металлорежущих станков необходимо применять прецизионные подшипники и производить их правильный монтаж.

Неточность изготовления режущего инструмента. Погрешности механической обработки могут быть вызваны неточностью изготовления мерных и фасонных режущих инструментов.

К первым относятся канавочные резцы (например, для прорезки канавок под поршневые кольца), дисковые и пальцевые фрезы для обработки шпоночных пазов, сверла, зенкеры, развертки и протяжки, ко вторым — фасонные резцы и фрезы, специальные протяжки, резьбонарезной инструмент, а также профильные абразивные круги. Ра-бота режущих инструментов обоих типов основана на методе копирования, так как их размер и профиль непосредственно передаются обрабатываемой детали.

При использовании дисковых и пальцевых фрез на точность ширины прорезаемых канавок влияет также осевое и радиальное биения зубьев инструмента в результате его неправильной заточки или установки на станке. Простейшие случаи нежирной обработки имеют место при использовании однолезвийных режущих инструментов. К ним относится, в частности, прорезка канавочным резцом прямоугольной канавки, на ширину которой задан небольшой допуск. Если обрабатывают одну заготовку, то ширина канавки не соответствует в точности ширине резца, а будет всегда несколько больше. Опыты показывают, что разница в ширине сравнительно невелика (0,01—0,03 мм); она зависит от обрабатываемого материала, режимов резания, степени затупления резца и не является постоянной у разных деталей. Пределы изменения этой величины мало зависят от номинальной ширины канавки.

То же наблюдается при обработке партии деталей за одну установку (смену) инструмента. В отличие от предыдущего случая на погрешность выполняемого размера здесь, однако, дополнительно влияет размерный износ резца. Если партия деталей достаточно велика и обработка ведется за несколько смен инструмента, то на погрешность выполняемого размера будет еще дополнительно влиять допуск на размер резца.

Более сложный процесс происходит при обработке многолезвийным инструментом. Точность диаметра отверстий при сверлении их спиральными сверлами определяется допусками на диаметр сверла и погрешностями, возникающими в результате разбивки отверстий. Допуски на диаметр спиральных сверл регламентируются ГОСТ

883— 64. Разбивка отверстий возникает из-за неуравновешенности радиальной силы резания в результате того, что режущие кромки сверл могут быть расположены под разными углами к его оси или смещены по высоте. С увеличением глубины сверления разбивка возрастает в связи с тем, что радиальная жесткость системы сверло— шпиндель из-за увеличивающейся при этом длины консоли снижается. Другая причина разбивки отверстия заключается в несоосности рабочей части сверла и его хвостовика.

Точность диаметра отверстия зависит также от обратной конусности сверла. Значения последней регламентируют ГОСТ 2034—64*. Так, для сверл диаметром свыше 18 мм обратная конусность находится в пределах 0,05—0,1 мм на каждые 100 мм длины. В результате ряда последовательных переточек происходит уменьшение длины, а следовательно, и диаметра сверла.

Сверление отверстий по кондукторным втулкам обеспечивает большую точность их диаметра В данном случае несимметричность заточки и Несоосность элементов сверла меньше влияет на разбивку отверстий. Наличие обратной конусности сверла, однако, несколько снижает эту роль кондукторных втулок, так как с увеличением глубины сверления зазор между инструментом и втулкой возрастает. Производственные наблюдения показывают, что при сверлении обычных (неглубоких) отверстий без кондукторной втулки погрешность их диаметра возрастает в среднем на 50%.

Сверление по кондукторным втулкам обеспечивает большую точность положения оси отверстий. Точность направления сверла в этом случае зависит от величины зазора между инструментом и отверстием втулки, а также от длины втулки. При допусках на диаметр сверл по ГОСТ 885—64* и выполнении отверстий во втулках по посадкам X и Д (для компенсации теплового расширения инструмента в процессе резания) получаются, однако, относительно большие зазоры. Для повышения точности направления сверла возможно выполнение отверстия во втулке по посадке С. Это применяется при сверлении точно расположенных отверстий и соблюдении условий, устраняющих чрезмерное нагревание инструмента в работе и его заедание во втулке.

Для повышения точности направления целесообразно уменьшать допуск па диаметр сверл пли производить сортировку сверл на размерные группы с меньшими отклонениями по диаметру. Точность направления сверла можно повысить применением высоких втулок, длина которых равна шагу винтовых канавок сверла.

Точность диаметра зенкерованных отверстий определяется допуском па размер зенкера и разбивкой обрабатываемых отверстий. Допуск на диаметр зенкера обычно устанавливают в зависимости от допуска па диаметр зенкеруемых отверстий. Ошибки заточки зенкеров приводят к несимметричному положению режущих кромок относительно оси вращения. В результате этого возникает неуравновешенная сила резания, которая, как и при сверлении, вызывает разбивку обрабатываемых отверстий. Разбивка отверстий увеличивается с возрастанием скорости резания, подачи, глубины резания, твердости обрабатываемого материала и обратной конусности. Уменьшение разбивки отверстия наблюдается с увеличением главного угла в плане, заднего угла и жесткости системы. Обратную конусность зенкеров принимают в пределах 0,06—0,10 мм на 100 мм.

Применение кондукторных втулок повышает точность диаметра зенкеруемых отверстий вследствие уменьшения их разбивки. Увод оси отверстий, зенкеруемых в черных заготовках (штамповках и в отливках), также уменьшается в результате того, что кондукторная втулка противодействует упругому отжиму инструмента при наличии неравномерного припуска у отверстий со смещенными осями.

Как и при сверлении, основные погрешности зенкерования зависят от зазора между инструментом и кондукторной втулкой. Чем меньше этот зазор, тем меньше погрешности отверстия.

При развертывании отверстий точность их диаметров во многом зависит от допуска на размер инструмента. Разбивка отверстий при развертывании изучена недостаточно полно. На величину разбивки большое влияние оказывает качество смазочно-охлаждающих жидкостей. При развертывании всухую отверстие разбивается больше. Применение смазочно-охлаждающих жидкостей уменьшает разбивку в 2—4 раза. По мере затупления развертки разбивка увеличивается. При резании острой разверткой минимальная величина разбивки лежит в пределах 5—10 мкм.

Развертывание с малыми скоростями резания (v — 3—5 м/мин) вызывает отрицательную разбивку. С увеличением скорости резания отрицательная разбивка переходит в возрастающую положительную. Явление отрицательной разбивки объясняется влиянием упругих свойств обрабатываемого материала. На положительную разбивку влияют нарост и налипание мельчайших частиц металла на ленточку развертки.

В настоящее время нет достаточно полных данных о влиянии кондукторных втулок на точность развертывания. Учитывая трудность исправления положения оси отверстия, развертывание часто производят без втулок, применяя плавающее крепление инструмента.

При протягивании круглых отверстий допуск на диаметр режущих зубьев протяжки берут в пределах , от подъема зубьев, но не более 0,02 мм. Допуск па диаметр калибрующих зубьев принимают равным ¹/₃ допуска на протягиваемое отверстие, но не более отклонений посадки С по ОСТ 1012*. При соблюдении указанных допусков обеспечивается точность обработки в пределах 2-го класса.

Тепловые деформации технологической системы. В процессе механической обработки происходит нагрев технологической системы, а при перерывах в работе — ее охлаждение. Источниками нагрева являются: тепло, образующееся в зоне резания, тепло, выделяющееся в узлах станка из-за потерь на трение, а также тепло от внешних источников.

Тепловое состояние системы может быть стационарным и нестационарным. При стационарном тепловом состоянии наблюдается тепловое равновесие системы — подвод тепла количественно равен его потерям. В этом случае температура отдельных звеньев технологической системы постоянна во времени. К условиям стационарного теплового состояния приближаются процессы обработки небольших заготовок на станках, прошедших период предварительного разогрева теплом, возникающим от трения и отводимого из зоны резания смазочно-охлаждающей жидкостью. Нестационарное тепловое состояние наблюдается в период пуска станка после его длительной остановки. Если говорить не о системе в целом, а об отдельной заготовке, то всякий процесс можно считать нестационарным, если выделяющееся при резании тепло заметно нагревает заготовку.

Точный учет всех выделений и потерь тепла сложен. Для упрощения задачи по выявлению влияния тепловых деформаций на точность механической обработки можно рассматривать два периода в работе станка: от начала пуска станка до получения теплового равновесия системы — период нестационарного теплового состояния, далее до окончания обработки — период стационарного теплового состояния.

Рассмотрим отдельно характер нагрева, тепловые деформации отдельных элементов технологической системы и их влияние на точность обработки.

Тепловые деформации станка. Нагрев станины, корпусных и других деталей станков происходит в результате потерь на трение в механизмах, гидроприводах и электроустройствах. Большое количество тепла передается этим деталям смазочно-охлаждающей жидкостью, отводящей тепло от зоны резания, а также от встроенных электродвигателей. Тепло передается также из внешней, окружающей станок, среды.

Нагрев станины перечисленными источниками тепла происходит в большинстве случаев неравномерно; одни части станины нагреваются сильнее других. Это обусловлено нерациональным расположением электродвигателей, электронасосов, резервуаров для масла и охлаждающей жидкости и других источников тепловыделения. Разность температур отдельных элементов станины может достигать 10° С. В этих условиях станина теряет правильную форму и взаимное расположение на ней основных элементов станка нарушается. При доводке новых конструкций станков необходимо обращать внимание на выравнивание температурного поля станины и их лучшее охлаждение. Одним из основных источников образования тепла в станке является шпиндельная бабка. Температура в различных точках корпуса бабки изменяется в пределах 10—50° С. Наиболее высокая температура наблюдается в местах расположения подшипников шпинделя и подшипников быстроходных валов. Температура валов и шпинделей на 30—40% выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. При большой длине шпинделя необходимо считаться с его осевым перемещением от нагрева, что влияет на точность обработки. Если фиксация шпинделя от осевого перемещения осуществлена у заднего подшипника, то при длине L и разности температур между корпусом и шпинделем перемещение патрона в осевом направлении

где а — термический коэффициент линейного расширения материала шпинделя.

Приняв, в частном случае, L = 800 мм, = 10° и а = 0,000012, получим L = 0,1 мм. Найденная величина может вызвать значительную погрешность механической обработки на настроенном станке, если ее не компенсировать периодическими подналадками станка.

Относительно сильный нагрев, шпиндельных бабок влечет за собой изменение положения оси шпинделя. Например, шпиндель передней бабки токарного станка может сместиться по вертикали и в горизонтальной плоскости на несколько сотых долей миллиметра.

Большое влияние на точность обработки оказывают тепловые деформации винтов подачи. Для уменьшения этих деформации следует защищать винты от теплового воздействия и делать их возможно меньшей длины. Длина винта оказывает большое влияние на точность перемещений бабки шлифовальных станков. В неудачных конструкциях, где длина рабочего участка винта велика, погрешность может достигать 0,03—0,05 мм.

Тепловые деформации обрабатываемых заготовок. Кроме тепловых деформаций станка, на точность механической обработки влияют также тепловые деформации обрабатываемых заготовок, нагрев которых происходит в результате выделения тепла в процессе резания. Многочисленные исследования показали, что основное количество тепла аккумулируется в стружке. В обрабатываемую заготовку переходит незначительное количество тепла. Это положение справедливо для таких методов обработки, как точение, фрезерование, строгание, наружное протягивание. Для таких методов, как сверление, распределение тепла изменяется — его большая часть остается в заготовке.

При токарной обработке в стружку уходит 50—86% тепла, а при высоких скоростях резания свыше 90%; 10—40% тепла переходит в резец; 3—9% остается в заготовке и около 1% рассеивается в окружающую среду. При сверлении в стружку уходит 28% образующегося тепла, 14% переходит в сверло; 55% остается в заготовке и 3% уходит в окружающую среду.

Применение обильного охлаждения (обработка стали) позволяет практически устранить нагрев заготовки. В этом случае ее тепловые деформации весьма незначительны и их влияние на точность обработки можно не учитывать. Обработка серого чугуна, бронзы и других материалов производится без охлаждения. В этом случае тепловые деформации будут большими.

Наиболее просто тепловые деформации заготовки находятся в предположении ее постоянного температурного поля. Это достаточно точно выдерживается, если обработка поверхности заготовки ведется за несколько проходов, за несколько последовательно выполняемых, переходов, а также несколькими режущими инструментами (много-резцовое обтачивание).

Среднюю температуру нагрева заготовки (в град) можно определить делением полученного ею тепла резания на ее теплоемкость:

(56)

где с — удельная массовая теплоемкость материала заготовки, ккал/кг-град; р — плотность материала заготовки, кг/см³ ; V — объем заготовки, см³.

Тепловое расширение (деформация) в направлении линейного раз­мера L можно определить по формуле

(57)

где а — термический коэффициент линейного расширения материала заготовки.

Пример. На вертикально-сверлильном двухшпиидельном станке, оснащенном поворотным трех позиционным столом (одна позиция загрузочная), производится сверление и последующее развертывание отверстия в чугунной детали. Опреде­лить насколько уменьшится диаметр развернутого отверстия после охлаждения детали до температуры окружающей среды 20° С. Скорость вращения шпинделя п = 310 об!мин; подача s = 0,36 мм!об; мощность на шпинделе N — 1,3 л.с. Объем заготовки V=lOO см³. Диаметр отверстия d—20 мм, его глубина L=40 мм.

Решение. Количество тепла, возникающего при сверлении,

,

где tо — основное время сверления;

следовательно,

Ранее указывалось, что при обработке отверстий в заготовку уходит около 50% образующегося при резании тепла:

Принимая плотность чугуна — 7600 кг/м³ и его удельную теплоемкость с=0,11 ккал/кг-град, найдем температуру нагрева заготовки

Не учитывая нагрева заготовки при развертывании, определим погрешность выполняемого размера:

мм.

Найденная величина сопоставима с допуском 2-го класса точности. Для уменьшения тепловой деформации необходимо принять меры для охлаждения за­готовки перед развертыванием отверстия,

Из анализа ряда практических случаев можно заключить, что теп­ловые деформации массивных заготовок малы и их влиянием на точ­ность обработки можно пренебречь, особенно при незначительных раз­мерах обрабатываемых поверхностей. Тепловые деформации тонко­стенных заготовок с относительно большими обрабатываемыми поверх­ностями могут достичь величин, сопоставимых с допусками 2-го класса точности. Влияние тепловых деформаций на точность растет при обработке внутренних поверхностей, когда поглощение тепла заготовкой увеличивается.

При нестационарном температурном поле заготовки расчеты теп­ловых деформаций усложняются. Общая методика и примеры этих расчетов приводятся в специальной литературе [4, 5].

Уменьшение тепловых деформаций обрабатываемых деталей может быть достигнуто: обильным подводом охлаждающей жидкости в зо­ну резания; повышение скорости резания, в результате чего большая доля тепла отводится в стружку; чередованием операций с большим и меньшим нагревом детали; устранением накопленного ранее в дета­лях тепла достаточной по времени выдержкой на транспортирующем устройстве или в таре; шлифованием деталей кругами больших ; диаметров при абразивной обработке.

Влияние ошибок обработки из-за тепловых деформаций может быть уменьшено рациональным распределением этих ошибок по полю до­пуска детали.

Тепловые деформации режущего инстру­мента. Несмотря на то что при обработке резанием в инструмент переходит сравнительно небольшая доля образующегося тепла, он

Рис 38

во многих случаях все же подвержен интенсивному нагреву. На рабо­чей поверхности резцов из быстрорежущей стали наблюдается тем­пература 700—850° С. С отдалением от зоны резания температура стержня заметно снижается.

В начале резания наблюдается быстрое повышение температуры резца. Затем ее рост замедляется, и через непродолжительное время Достигается состояние теплового равновесия. На рис. 38, а дана характерная зависимость теплового удлинения £ консольной части резца от времени резания. ξ|_т означает удлинение резца при его тепловом равновесии. При обычных условиях работы удлинение резца может Достигать 30-=-50 мкм. Нагрев, а следовательно, и удлинение резца растут с увеличением подачи, глубины и скорости резания; удлинение резцавозрастает также с повышением предела прочности (твердости по Бринеллю) обрабатываемого материала.

Для приближенного расчета удлинения резца (в мкм) с пластин­кой твердого сплава при установившемся тепловом состоянии применима формула

(58)

(59)

Где С — постоянная (при t ^ 1,5 мм; s ^ 0,2 мм!об; v — 100 -j--5- 200 м/мин; С = 4,5); L_p — длина рабочей части резца, равная его

вылету, мм F — площадь поперечного сечения резца, мм²; — предел прочности обрабатываемого материала, кГ/мм²; t — глубина резания, мм; s— подача, мм!об; v — скорость резания, м/мин.

Удлинение резца (в мкм), соответствующее моменту времени ,

где е — основание натуральных логарифмов.

Во время перерывов в работе, длительность которых равна промежуткам между основными временами (t₀) выполняемых операций, резец охлаждается.

На рис. 38, б показан график изменения длины резца при обработке партии заготовок. Если работа протекает ритмично, то перерывы t процесса резания одинаковы по продолжительности и тепловые деформации резца постоянны для всех обрабатываемых заготовок. При отсутствии ритмичности ( ) тепловые деформации резца получаются различными. В этом случае рассеяние размеров заготовок в партии будет большим.

При обработке крупной заготовки тепловые деформации резца могут вызвать погрешность формы обрабатываемой поверхности.

Тепловые деформации влияют на точность размеров при обработке на предварительно настроенных станках по методу автоматического получения размеров, но могут быть учтены рабочим при обработке методом пробных проходов.

Остаточные напряжения в материале заготовок. Остаточные напряжения оказывают наибольшее влияние на точность обработки тонкостенных нежестких заготовок.

Природа и причины возникновения остаточных напряжений. Остаточными (или собственными) называются напряжения, которые существуют в заготовке или готовой детали при отсутствии внешних нагрузок. Остаточные напряжения полностью уравновешиваются, и их действие на деталь с внешней стороны ничем не проявляется. С нарушением этого равновесия, вызываемого удалением части материала в виде припуска, обработкой без снятия стружки, термическим или химическим воздействием, деталь начинает деформироваться до тех пор, пока перегруппировка напряжений не приведет к новому равновесному состоянию.

Различают три рода остаточных напряжений. Напряжения первого рода уравновешиваются в пределах больших объемов материала, соизмеримых с размерами обрабатываемых заготовок. Напряжения второго рода образуются в микроскопических объемах, с размерами одного порядка, с зернами и кристаллитами. Напряжения третьего рода возникают в ультрамикроскопических объемах; они уравновешиваются в пределах нескольких ячеек кристаллической решетки вещества. В технологии машиностроения наибольшее внимание уделяется напряжениям первого рода.

По причине образования остаточные напряжения разбивают на две группы: конструкционные и технологические. Первые вызываются в деталях процессами, происходящими в конструкции; вторые возникают в детали в процессе ее изготовления. Технологические напряжения возникают в результате неоднородных объемных изменений вследствие: неоднородного (неравномерного) нагрева или охлаждения; фазовых или структурных превращений металла, а также происходящих в нем диффузионных процессов; пластической деформации при наклепе. Одновременное действие двух или трех причин приводит к весьма сложным эпюрам распределения остаточных напряжений по сечениям детали. Взаимодействие перечисленных причин нередко приводит к образованию столь 95больших напряжений растяжения в поверхностных слоях детали, что возможно появление трещин.

Для многих деталей желательно создание сжимающих напряжений в поверхностных слоях, благоприятно-влияющих на повышение их

усталостной прочности. Знание характера распределения, а также качественная и количественная характеристики остаточных напряжений весьма важны для повышения качества деталей и правильного построения технологических процессов их изготовления. В связи с этим в последнее время большое внимание уделяется методам упрочняющей технологии, обеспечивающим повышение прочности и долговечности деталей машин.

Рассмотрим в качестве примера влияние первой из перечисленных причин — изменение объема при охлаждении — на образование остаточных напряжений в стальном диске, нагретом до 703 800 С. Сначала остывает наружный слой, который при температуре ниже 500° С, стремясь сократиться в диаметре, сжимает еще горячую и пластичную сердцевину. В результате наружные слои упруго растянуты, а внутренние сжаты. Эпюра напряжений для этого периода показана на рис. 39 сверху. Последующее охлаждение диска связано сначала с возрастанием разности температур между сердцевиной и наружным слоем, а затем с ее уменьшением. При этом напряжения соответственно увеличиваются, а затем уменьшаются по величине. При дальнейшем охлаждении сердцевина стягивает наружный, остывший слой, создавая в нем напряжения сжатия. Эпюра напряжений в остывшем диске показана на рис. 39, снизу

Напряжения в результате структурных превращений наблюдаются в стальных деталях при переходе аустенита в мартенсит.

На величину и распределение напряжений в металле действуют и такие факторы, как конфигурация детали, равномерность нагрева, прокаливаемость, величина зерна, температура отпуска. Влияние этих факторов изучено во многих исследованиях. Результаты этих исследований, однако, не дают достоверных представлений о величине напряжений, и картину образования последних можно скорее оценить с качественной стороны.

Остаточные напряжения при разных технологических методах обработки заготовок. В зависимости от применяемого технологического метода различают остаточные напряжения: литейные, возникающие при остывании отливок; ковочные образующиеся в поковках и горячештампованных заготовках; термические, создающиеся при термической обработке; сварочные; от наклепа, возникающие при холодной прокатке, волочении, холодной штамповке, чеканке, дробеструйной обработке и других методах; возникающие при обработке металлов резанием; создающиеся при электролитических покрытиях деталей.

Литейные напряжения имеют большое влияние па точность обработки заготовок из отливок. Они возникают из-за того, что температура Толстых и тонких частей отливки получается неодинаковой при переходе из области пластических в область упругих деформаций. Для отливок из серого чугуна область этого перехода лежит в интервале температур 620—400° С. Тонкие части отливки охлаждаются быстрее толстых. Поэтому усадка металла в ее массивных элементах происходит позднее. Однако усадка не может протекать свободно, так как ранее остывшие тонкие части отливки вызывают ее торможение. Торможение усадки происходит также со стороны литейной формы, если на отливке имеются выступающие элементы. В первом случае имеем термическое, во втором — механическое торможение усадки.

Чем медленнее происходит охлаждение отливки в указанном интервале температур, и чем меньше разница в толщине ее стенок, тем меньше остаточные напряжения в остывшей заготовке. Особенно большими остаточные напряжения получаются в местах резкого изменения сечения отливок. Их величина может быть иногда настолько значительной, что отливка коробится и в ней возникают трещины. Остаточные напряжения могут быть уменьшены в правильно сконструированных отливках. К уменьшению напряжений ведет также устранение механического торможения усадки путем разрушения формы после перехода металла из жидкого состояния в твердое до его окончательного охлаждения.

если подвергнуть отливку механической обработке, то равновесие остаточных напряжений из-за сжатия поверхностных слоев металла нарушается и заготовка деформируется. Эта деформация происходит не мгновенно, а в течение довольно продолжительного промежутка времени. При передаче предварительно обработанной заготовки на последующую отделку (без разрыва во времени между ними) деформация продолжается и после приемки готовой детали, что ведет к недоразумениям при сборке и последующей эксплуатации машин. Деформации маложестких деталей часто получаются очень значительными.

Снятие или уменьшение остаточных напряжений в отливках достигается естественным старением, термической обработкой (искусственным старением) и некоторыми методами механического воздействия.

Естественное старение заключается в длительном хранении (вылеживании) заготовок на воздухе. Продолжительность вылеживания доводится нередко до 6—12 месяцев и больше. Естественное старение обычно производят после предварительной обработки (обдирки) отливки. Его протеканию способствует периодическое изменение температуры окружающей среды. Основной недостаток этого способа —длительность процесса и неполнота снятия напряжений. На рис. 40 дана типичная кривая уменьшения остаточных напряжений от времени вылеживания при естественном старении. Из графика видно, что через полгода остаточные напряжения уменьшаются только па 30%.

Термическая обработка наиболее целесообразна для снятия остаточных напряжений в мелких и средних отливках. Для крупных отливок этот метод не всегда применим, так как для нагрева отливок необходимы печи больших размеров. Термическая обработка заключается в медленном нагреве заготовок до 500—600'" С, выдержке их при этой температуре в течение 1—6 ч (в зависимости от размера отливок)

и последующем медленном охлаждении в печи до 150—200° С. Скорость нагрева должна быть небольшой (60—150 град/ч), чтобы избежать большого перепада температур между толстыми и тонкими стенками отливки. Скорость охлаждения практически принимается в пределах 25—75 град/ч; ниже 150—250° С охлаждение может вестись ускоренно на открытом воздухе. На рис. 41 показано влияние температуры нагрева на снятие остаточных напряжений в отливках, из которого видно, что при нагреве до 350" С напряжения практически по снимаются.

Для уменьшения остаточных напряжений в отливках механическим воздействием используют пневматические молотки пли дробеструйную обработку. Места концентрации напряжений (переходы в сечениях, пересечения ребер и пр.) подвергают обстукиванию. Этот метод не дает радикальных результатов.

Ковочные напряжения возникают в заготовках, получаемых сво-бодной ковкой и горячей штамповкой. Их основная причина — неравномерное охлаждение заготовок, особенно сильно сказывающееся при нерациональной конструктивной форме последних. Ковочные напряжения имеют большое влияние па деформацию неустойчивых, маложестких заготовок (длинные валики, коленчатые валы и пр.). Для снятия остаточных напряжений в поковках и штампованных заготовках применяют отжиг.

Термические напряжения являются следствием неравномерности нагрева и охлаждения деталей, а также результатом структурных изменений их материала. Термические напряжения вызывают деформацию (коробление) деталей и часто бывают настолько большими, что от их действия возникают трещины. Уменьшение деформации деталей с резкими изменениями сечений производится постепенным нагревом под закалку, защитой тонких стенок изолирующей обмазкой, выполнением закалки и отпуска в приспособлениях, а также смягчением закалочной среды. На величину остаточных напряжений и остаточных деформаций влияет скорость охлаждения при закалке, температура нагрева под закалку, исходная микроструктура материала, а также глубина закалки.

Сплошная закалка дает большую деформацию, чем поверхностная закалка после нагрева т. в. ч. Деформации при термической обработке влияют на точность детали и величину припуска под последующую механическую обработку. Опытным путем для данной детали и данного вида термической обработки может быть выявлена величина уменьшения или увеличения интересующего нас размера. Найденная таким образом поправка может быть использована для предварительного изменения размера и конфигурации детали под термическую обработку. При закалке метчиков часто наблюдается уменьшение шага резьбы. Эта погрешность компенсируется нарезанием резьбы с несколько большим шагом. Необходимая величина поправки находится экспериментально на пробной партии заготовок.

Сварочные напряжения возникают в деталях и узлах в результате неравномерного нагрева и остывания металла в процессе сварки. При перемещении источника тепла вдоль шва имеет место интенсивный нагрев металла в зоне наплавки. Смежные участки металла, обладая более низкой температурой, препятствуют расширению нагретого металла и создают в нем напряжения сжатия. При остывании в наплавленном слое возникают остаточные напряжения растяжения, так как окружающий металл тормозит уменьшение его объема.

Величина этих напряжений иногда достигает предела текучести металла. При сварке заготовок из низкоуглеродистых сталей возникают в основном остаточные напряжения первого рода, при сварке заготовок из закаливающихся сталей — напряжения всех трех родов.

Сварочные напряжения вызывают остаточные деформации в сварной конструкции, величина которых может быть значительно больше допуска па размеры готовой детали. Действие сварочных напряжений важно учитывать при конструировании и изготовлении технологической оснастки, так как от этого зависит точность обработки и сборки. Сварочные напряжения могут быть значительно уменьшены при правильном конструировании детали (узла), рациональным выбором ре-жима сварки, а также последующей термической правкой детали.

Остаточные напряжения в сварных изделиях могут быть сняты в результате их последующего высокотемпературного отпуска (600— 650° С). Однако после этого они не возвращаются к правильной форме, а, напротив, могут получить новые деформации, величина которых часто превышает имевшиеся до отпуска. Сварочные деформации бывают большими в узлах, свариваемых из материалов, обладающих меньшей теплопроводностью и большим коэффициентом температурного расширения. В узлах из нержавеющей стали деформации больше, чем в узлах из низкоуглеродистых сталей. Деформации при сварке изделий из алюминия меньше, чем при сварке изделий из низкоуглеродистых сталей.

Величина остаточных деформаций зависит от расположения швов, свойств материала, режима сварки, а также от последовательности наложения швов. Рациональным построением технологического процесса сварки эти деформации могут быть сведены к минимуму.

Напряжения от наклепа возникают при холодной обработке металла методом пластической деформации. При прокатке и волочении прутков материал с наружной поверхности деформируется сильнее, чем внутри. Поэтому в заготовках, полученных данными методами, наблюдаются значительные остаточные растягивающие напряжения в поверхностных слоях и сжимающие напряжения внутри. Исследования показывают, что остаточные напряжения в прокате нередко бывают очень большими и доходят до предела текучести. На рис. 42, а дана эпюра распределения этих напряжений в сечении, взятом на достаточно большом расстоянии от концов. Если заготовку из проката разрезать вдоль, то ее концы разойдутся (рис. 42, б). Изгиб концов произойдет в результате нарушения равновесия остаточных напряжений в материале заготовки.

При протачивании недостаточно точно зацентрованной заготовки из проката снимается неравномерный припуск. В результате происходит нарушение равновесия напряжений и обработанная деталь (при отношении длины к диаметру более 30) заметно искривляется. По той же причине прорезка длинных шпоночных канавок в заготовках из проката часто ведет к искривлению деталей. Нежелательное влияние остаточных напряжений на последующую механическую обработку может быть устранено отжигом заготовок, получаемых технологическими методами данной группы.

Остаточные напряжения при холодной правке. Холодную правку применяют для устранения искривленности заготовок и готовых деталей. Правка до обработки уменьшает снимаемые припуски и сокращает время выполнения операции.

Холодной правке подвергают гладкие и ступенчатые валы, шатуны, коленчатые и распределительные валы двигателей, планки, пластины, веретена и многие другие детали общего и специального назначения.

Холодная правка основана па пластическом изгибе. На рис. 43, а дана наиболее распространенная схема правки приложением сосредоточенной силы. В материале заготовки возникают нормальные напряжения. При определенном значении силы эти напряжения в крайних волокнах достигают предела текучести _т и заготовка получает остаточную пластическую деформацию, которой устраняется первоначально имевшаяся изогнутость. При снятии нагрузки заготовка частично восстанавливает имевшуюся ранее искривленность. Поэтому прогиб при правке должен быть несколько больше стрелы изогнутости . На рис. 43, б показана заготовка после того, как поперечная сила Q достигла конечного значения, необходимого для устранения искривленности. Заштрихованными участками показаны области пластических деформаций. Эпюра напряжений дана для сечения под силой. На рис. 43, в показана, заготовка после снятия нагрузки. Действие в упругодеформированной области напряжений, стремящихся восста­новить первоначальную изогнутость заготовки, приводит к эпюре напряжений, показанной в среднем сечении выпрямленной заготовки.

Если заготовка подвергается повторной обработке снятием поверх­ностных слоев металла, то равновесие остаточных напряжений на­рушается и заготовка деформируется. На рис. 43, г показана обрабо­танная заготовка; она получила частично прежнюю искривленность. Там же дана эпюра остаточных нап­ряжений; они уменьшились по величине, и их эпюра имеет опять подобный и уравновешенный вид.

Рис. 42 Рис. 43

При повторной правке и обработке наблюдается та же картина образования остаточных напряжений; их величина, однако, умень­шается.

Мы рассмотрели процесс холодной правки при условии, что мате­риал исходной заготовки свободен от собственных остаточных напря­жений. В действительности заготовки обычно находятся в напряжен­ном состоянии. При правке заготовок картина образования остаточ­ных напряжений усложняется. Так как исходное состояние в отдель­ных заготовках нам неизвестно, то конечный результат правки пред­ставляется в известной степени неопределенным, так как эпюры оста­точных напряжений у отдельных заготовок могут быть при этом раз­личными.

При изготовлении ответственных и точных деталей холодную правку не производят. Искривленность заготовок устраняют в этом случае снятием больших припусков. Для изготовления таких деталей часто производят тщательный отбор прутков на прямолинейность.

Если правке подвергают готовые детали, то в их материале также возникают уравновешенные остаточные напряжения. С течением вре­мени наблюдается некоторое искривление выправленных деталей, в результате чего в машине может произойти нарушение зазоров. Причина такого искривления — неравномерная релаксация остаточ­ных напряжений на различных участках эпюры или явления прямого или обратного последействия. Равномерная релаксация напряжений не дает искривления детали.