Точность станков, инструментов и приспособлений; жесткость технологической системы. Температурные погрешности

Рассмотрим влияние некоторых факторов на точность обработки деталей.

Точность станков. Металлорежущие станки, как и все изделия, изготовляют с определенной степенью точности. Точность станка в ненагруженном состоянии называют геометрической точностью. Геометрическая точность новых станков определяется стандартами.

Точность станков определяется главным образом точностью подшипниковых узлов, точностью направляющих, точностью кинематических цепей, точностью передач коробки скоростей и коробки подач.

В процессе эксплуатации отдельные детали и узлы станка изнашиваются, нарушаются отдельные регулировки. При этом более интенсивно изнашиваются те детали и узлы, которые испытывают наибольшие удельные нагрузки. Вследствие износа, например, подшипников качения вала шпинделя токарного станка появляется биение обрабатываемой детали и образование неточности ее геометрической формы. Биение вращающихся центров станка также приводит к биению обрабатываемых поверхностей заготовки относительно оси центральных отверстий. Кроме того, возникают упругие деформации отдельных частей станка от действия сил резания. Величина упругой деформации тем больше, чем больше силы резания и меньше жесткость узлов станка.

В процессе работы станков могут возникать погрешности обработки, вызванные нагруженным состоянием их отдельных деталей и узлов. Например, при отклонении от соосности центров станка в плоскости, параллельной направляющей станины, получается деталь с погрешностью геометрической формы – конусообразность, а при отклонении от соосности центров станка в плоскости, перпендикулярной к направляющим станины, получается деталь вогнутой, т.е. седлообразной формы.

На точность обработки влияет также изменение линейных размеров частей станка при нагреве их под действием сил трения в опорах, что обуславливает отклонение от геометрической точности станков и приводит к появлению погрешности обработки.

Точность инструмента. Точность обработки в значительной степени зависит от точности изготовления режущего инструмента. Инструмент изготавливается с определенными погрешностями размеров, формы и взаимного положения его отдельных элементов. Погрешности инструментов (зенкеров, разверток, протяжек, фрез и др.) влияют впоследствии на точность формы или размера обработанной поверхности. Поэтому чем точнее изготовлен инструмент, тем точнее и размеры деталей, полученные после обработки этим инструментом.

В процессе резания инструмент изнашивается. Точность инструмента в процессе изнашивания снижается, что приводит к искажению его формы и размеров. В связи с этим износ инструмента существенно влияет на точность обработки. Следует заметить, что инструмент изнашивается быстрее, чем детали станка. Интенсивность изнашивания инструмента в значительной степени зависит от режимов обработки, вида инструмента, геометрии его режущей части, материала инструмента и заготовки и от других факторов. Затупленный резец, например, вызывает увеличение радиальной составляющей силы резания, и, как следствие, увеличение деформаций отдельных деталей станка и обрабатываемой заготовки. При обтачивании длинного вала износ резца приводит к увеличению диаметра обработанного вала на конечном участке. Восстановление режущих свойств инструмента производят последующей его заточкой. Время работы (в минутах) между переточками называют стойкостью инструмента.

Жесткость системы СПИД. Станок, приспособление, инструмент и деталь (заготовка) образуют систему, которая под воздействием сил резания упруго деформируется. Величина деформации зависит от силы резания и от жесткости системы. Неравномерное распределение припуска на поверхности заготовки, эксцентричное положение заготовки, неравномерная твердость обрабатываемого материала, большая длина заготовки и режущего инструмента способствуют увеличению деформации системы СПИД.

Часто в жесткости системы СПИД одно из звеньев играет решающую роль. Так, при обработке длинных валов жесткость токарного станка имеет второстепенное значение, решающим является прогиб заготовки. При фрезеровании цилиндрической фрезой и при обработке корпусных деталей на расточных станках жесткость деталей обычно велика, наибольший прогиб имеет оправка или борштанга. При выполнении сверлильных работ жесткость сверла намного меньше жесткости заготовки. Жесткость Системы СПИД часто является фактором, ограничивающим режим обработки. С увеличением жесткости системы может быть повышена производительность и точность обработки резанием.

Погрешности, возникающие в результате упругих деформаций системы СПИД, могут достигать 20...80% от суммарной погрешности обработки.

Наиболее существенное влияние на размер обрабатываемой заготовки оказывают перемещение звеньев СПИД в направлении, нормальном к обработанной поверхности, которые в основном обусловлены действием составляющей силы резания. Поэтому жесткостью системы СПИД принято называть отношение радиальной составляющей резания к смещению лезвия инструмента обработанной поверхности, при действии всех составляющих силы резания.

Погрешности заготовки вызывают увеличение рассеивания размеров заготовки в связи с колебаниями величины припуска и неравномерным распределением его на поверхности заготовки, смещениями отверстий в отливках, перекосом плоскостей и т. д. В связи с погрешностями формы и расположения поверхностей заготовки имеют место неравномерные припуски, что также приводит к упругим деформациям элементов СПИД.

Температурные погрешности. В процессе резания механическая энергия расходуется на деформирование срезаемого слоя металла и на преодоление сил трения, возникающих при контакте сходящей стружки иизделия с режущим инструментом. В результате превращения механической энергии в тепловую выделяется большое количество тепла, поглощаемого стружкой, обрабатываемой заготовкой, режущим инструментом и окружающей средой. При этом температура рабочей поверхности резцов в зоне резания составляет 800…1000°С и выше.

Повышение температуры обрабатываемой заготовки и инструмента приводит к температурным деформациям, вызывающим соответствующие погрешности обработки. Например, нагрев проходного резца средней величины на 20°С приводит к увеличению его длины на 0,01 мм, что вызывает уменьшение диаметра обрабатываемой заготовки на 0,02 мм. Кроме того, заготовка в процессе резания может нагреваться неравномерно, что приводит к изменению не только ее размеров, но и формы. Средняя температура заготовки при этом во многом зависит от ее размеров, материала, режимов резания, условий закрепления и продолжительности работы. Тонкостенные заготовки нагреваются при обработке в большей степени, чем массивные, что обусловливает более значительную их деформацию.

Для уменьшения температурных деформаций обрабатываемых заготовок необходимо тщательно подбирать режим резания, осуществлять качественную заточку режущего инструмента, чистовую обработку производить после черновой и получистовой обработки с перерывом, достаточным для охлаждения заготовки, а также применять обильное охлаждение смазочно-охлаждающими жидкостями.

Важное значение для повышения точности механической обработки имеет правильный выбор материала для изготовления инструмента или его режущей части.

Достижимая и экономическая точность обработки. Выбор методов обработки и оборудования для обеспечения заданной точности размеров, геометрической формы и точности расположения поверхностей

В технологии машиностроения различают понятие экономическая и достижимая точность.

Экономическая точность – точность, которая может быть получена в нормальных производственных условиях при минимальной себестоимости.

Под нормальными производственными условиями понимают выполнение работ на исправном оборудовании с применением необходимых инструментов и приспособлений, рабочими соответствующей квалификации. Понятие экономической точности применяется для назначения технологических допусков при проектировании технологии в условиях серийного и массового производств.

Каждому методу обработки отвечает своя экономическая точность. Таблицы экономической точности обработки приводятся практически во всех справочниках по технологии машиностроения, например, черновая обработка – 14-15 квалитет, способы чистовой лазерной обработки – 10-11 квалитет.

Достижимая точность – точность, которую можно получить при выполнении обработки в особенно благоприятных условиях, на специально настроенном или модернизируемом станке, высококвалифицированными специалистами без учета расходов времени и, не учитывая во внимание себестоимость.

Достижимая точность чаще всего используется в условиях ремонтного или опытного производства, или при выполнении уникальных работ, а также при производстве специального инструмента.

Точность обработки можно характеризовать следующими основными признаками: 1) точностью размеров, 2) точностью формы поверхности и 3) точностью взаимного расположения поверхностей и осей.

При обработке одной и той же заготовки с различной степенью точности изменяются трудоёмкость и себестоимость: при изготовлении деталей с меньшим допуском (большей точностью) они возрастают (рис. 1, а). Это объясняется тем, что для достижения заданной точности обработки приходится применять больше технологических методов, например: точение, шлифование, полирование и т.д.

На рисунке 1, б показано влияние отдельных методов обработки на себестоимость.

Очевидно, что экономически целесообразно достигнуть JТ< 8 – чистовым шлифованием; 8 < JТ< 9 – предварительным шлифованием; JТ>9 – чистовым точением.

Показатель этой целесообразности – средняя экономическая точность определённого метода обработки, которая есть точность, получаемая в нормальных производственных условиях с меньшими затратами, чем при других сопоставимых методах обработки (рис. 2).

1 – чистовое точение; 2 – предварительное шлифование; 3 – чистовое шлифование Рисунок 1 – Влияние точности на себестоимость

А – зона достижимой точности для развертывания; В – зона экономической точности для развертывания; С – зона экономической точности для зенкерования; 1 – развертывание; 2 – зенкерование Рисунок 2 – Зоны экономической точности

Наряду со среднеэкономической точностью различают также достижимую точность, обеспечение которой связано с большими затратами, так как требует специальных приемов, высокой квалификации рабочего, тщательной подготовки инструмента.

Необходимая точность обработки, отвечающая требованиям заданного класса точности, достигается на различных станках разными способами.

Точность обработки отверстий по 2-му классу точности достигается чистовым развертыванием, протягиванием, шлифованием, притиркой, доводкой абразивными головками (хонинг-процессом), доводкой колеблющимися абразивными брусками (суперфиниш); этими же способами можно в ряде случаев получить точность и 1-го класса, но при более тщательной работе на хорошо выверенных и вполне исправных, неизношенных станках.

Обработка отверстий по 3-му классу точности достигается при чистовом развертывании; такую же точность можно получить и чистовым резцом на вполне исправных станках и при тщательной работе; экономичнее этот класс достигается шлифованием, если это возможно по характеру работы.

Отверстие 4-го класса точности можно получить растачиванием чистовыми резцами на токарных или револьверных станках или сверлением с помощью кондуктора.

Отверстие 5-го класса точности можно получить сверлением или растачиванием на всех станках, включая и автоматы, выполняющие такие операции.

Точность обработки валов по 1-му классу после предварительной токарной обработки достигается последовательным шлифованием – черновым (предварительным) и чистовым (окончательным).

Для обработки валов по 2-му классу точности, как правило, применяется шлифование после предварительной обработки на токарных или револьверных станках. Эту точность можно получить и не применяя шлифования, если работают на токарных н револьверных станках токари высокой квалификации.

Точность обработки валов по 3-му классу точности достигается на вполне исправных токарных станках отделочными резцами при отсутствии прогибов, что обеспечивается применением поддерживающих приспособлений. Однако, как правило, наиболее экономичным способом для крупносерийного производства является обработка валов этого класса точности шлифованием.

По 4-му классу точности валы обрабатываются на токарных и револьверных станках, а также на автоматах отделочными резцами.

По 5-му классу точности валы можно обрабатывать на токарных и револьверных станках без специальных приспособлений, однако обработку длинных валов приходится вести отделочными резцами с применением поддерживающих приспособлений.

Выбор метода обработки зависит от заданной точности обрабатываемой детали. Выбирая метод обработки, необходимо учитывать экономическую целесообразность его применения. В тех случаях, когда нет необходимости в точной обработке, пользоваться точными методами работы нецелесообразно, так как это приведет только к удорожанию изделия.

Основным, хотя и не единственным способом наиболее точной обработки является шлифование, посредством которого сравнительно легко и экономично достигается точность 2-го, а при тщательной работе – и 1-го класса точности. Главное преимущество шлифования перед обработкой резцом заключается в том, что при шлифовании можно снимать с поверхности детали очень тонкие стружки и таким образом довести детали до необходимого размера. При снятии стружки резцом толщина ее не может быть столь малой, как при шлифовании, так как резец не может снимать стружку меньше определенной толщины. На точность обработки резцом влияет также его износ.

При обработке резцом на токарном станке возможна неточность, которая не встречается при работе на шлифовальном станке; центр передней бабки токарного станка при обработке вращается с обрабатываемой деталью, например валиком, а если центр бабки имеет биение, то центр сечения обтачиваемого валика не совпадает с осью его центрового отверстия и при постановке валика в другие центры займет эксцентричное положение. Так как у шлифовального станка оба центра неподвижны, эта неточность отсутствует.

При обработке на токарном станке поверхность не может быть такой ровной и гладкой, как после шлифования; эта тоже увеличивает неточность обработки. Таким образом, чистовое (окончательное) шлифование почти всегда целесообразнее, чем чистовое обтачивание.

По таким же причинам посредством плоского шлифования легче получить точные размеры, чем при строгании и фрезеровании. Применение шлифования возможно и для таких фасонных работ, как нарезание резьбы и зубчатых колес, точность которых имеет очень важное значение в работе механизмов.

Кроме указанных выше способов высокую точность обработки можно получить с помощью тонкого (алмазного) обтачивания и растачивания и тонкого шлифования на специально подготовленных станках.

Возможную точность, достигаемую различными способами обработки, можно представить схематично в такой последовательности:

а) чистовое обтачивание деталей малых размеров с последующей зачисткой абразивной шкуркой - до 0,02 мм (20 мкм);

б) точное шлифование - до 0,005 мм (5 мкм);

в) шлифование в прецизионных работах - до 0,0025 мм (2,5 мкм);

г) притирка - до 0,0005 мм (0,5 мкм);

д) доводка плоскопараллельных измерительных плиток - до 0,00005 мм (0,05 мкм).

На основании опытных данных составляются таблицы средних величин экономической точности различных методов обработки; этими таблицами пользуются при проектировании технологических процессов.