Расчет припусков и межоперационных

РАЗМЕРОВ ПРИ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

При обработке деталей резанием заданные чертежом геометри­ческие размеры (как значения, так и установленные на них откло­нения), форма, пространственные отклонения поверхностей и параметры качества поверхностного слоя (шероховатости, волнис­тости и др.) получают за один или несколько переходов механиче­ской обработки. На каждом технологическом переходе механиче­ской обработки с элементарной обрабатываемой поверхности в виде стружки срезается слой материала. Толщину этого удаляемо­го слоя называют припуском на обработку и обозначают буквой Z. Смежные технологические переходы принято обозначать так: вы­полняемый переход /, предшествующий i - 1. Ниже показано, что припуск — случайная величина, т.е. имеет разные значения в раз­ных точках элементарной поверхности заготовок.

Различают промежуточные, операционные и общие средние припуски на обработку. Промежуточный средний припуск  — это слой материала, удаляемый при выполнении i -го технологического перехода, а операционный — при выполнении i -й технологической операции.

Обозначим размеры (средние значения) и допуски размеров на технологических переходах обработки для наружной поверхности буквами  а для внутренней поверхности буквами

Согласно правилам суммирования математических ожиданий случайных величин (средних значений) запишем соотношения между средними размерами заготовок на технологических перехо­дах обработки (рис. 4.1).

Наибольшие и наименьшие размеры заготовок на предшеству­ющем переходе определяют по формулам:

Рис. 4.1. Средний промежуточный припуск на обработку наружной поверхности (а) и внутренней плоскости (б)

Промежуточный припуск всегда указывают на сторону. Напри­мер, припуск на номинально цилиндрическую поверхность — ра­диус Ri — равен  ; припуск на диаметр D1, равен двум припус­кам на радиус, т.е. 2

Общим средним припуском называют слой материала, кото­рый необходимо удалить с заготовки на всех операциях для полу­чения окончательно обработанной поверхности детали.

Припуск измеряется в направлении, перпендикулярном к об­рабатываемой поверхности.

Общий средний припуск   при использовании на всех перехо­дах фиксированного способа установа заготовки определяют либо как разность средних размеров исходной заготовки и детали, либо как сумму средних промежуточных припусков:

где  — средний размер элементарной поверхности исходной заготовки (i = 0) соответственно для наружной и внутренней по­верхности;  — средний размер элементарной поверхности детали (i = n) соответственно для наружной и внутренней поверх­ности; n — число технологических операций (переходов) обработ­ки данной поверхности.

Припуск всегда асимметричен, так как при обработке номи­нально цилиндрических поверхностей или при двухсторонней об­работке поверхностей (например, фрезерованием, шлифованием) в реальных условиях с разных сторон всегда удаляется разный слой материала.

Так как операционные размеры не могут выполняться абсолют­но точно, фактическая величина припуска колеблется в определен­ных пределах. В связи с этим различают номинальный (расчет­ный), минимальный и максимальный припуски.

Схема расположения операционных припусков и допусков при обработке вала за две операции (точение и шлифование) приведе­на на рис. 4.2.

 

Рис. 4.2. Схема расположения припусков и допусков на обработку вала (при точении с последующим шлифованием)

Номинальные припуски необходимы для определения номи­нальных размеров заготовок (поковок, отливок), по некоторым изготовляют технологическую оснастку (штампы, модели, формы и т.п.).

По максимальному припуску назначают глубину резания, т.е. t = Z_imax. Это значение принимается в качестве глубины резания и при выборе мощности привода станка.

Припуск не является параметром режима обработки. Режим обработки определяется только тремя параметрами: глубиной ре­зания t, подачей s и скоростью резания V. Припуск — важнейший

технологический параметр, имеющий в механической обработке весьма существенное научно-теоретическое и технико-экономи­ческое практическое значение. Зная припуск, определяют размеры исходной заготовки по технологическим переходам обработки. При обработке номинально цилиндрических поверхностей в этих соотношениях размеры Н и h принимают равными радиусами R и r (для наружной и внутренней поверхности соответственно). При­пуск на диаметры D u d равен 2 и 2  соответственно (рис. 4.3).

 

 

Рис. 4.3. Средний промежуточный припуск (на сторону)

при обработке наружной поверхности (а)

 и внутренней цилиндрической поверхности (б)

 

Точный расчет размеров заготовки можно выполнить только при установлении оптимальных (рациональных) припусков на обработку поверхностей на всех этапах изготовления детали. Это одна из основных задач технологии машиностроения, а теория припусков — один из основополагающих разделов проектирования процессов механической обработки.

Большой вклад в развитие теории припусков внесли ученые МГТУ им. Н.Э. Баумана под руководством проф. В.М. Кована. В этой теории принято положение: вариант обработки, выбранный по оптимальному расходу материала, имеет преимущество перед вариантами, выбранными по другим технико-экономическим по­казателям: трудоемкости, себестоимости и т.п.

При больших припусках увеличивается количество отходов (стружки), т.е. возрастают затраты (материальные и энергетичес-

кие) на удаление материала, сбор и переработку стружки, снижа­ется производительность вследствие повышения трудоемкости обработки (увеличения числа при больших значениях припуска); завышенные припуски приводят в некоторых случаях к удалению наиболее износоустойчивых поверхностных слоев заготовки и ее короблению из-за нарушения баланса остаточных напряжений. Однако и недостаточные припуски на обработку не обеспечивают возможности удаления дефектных поверхностных слоев материала, получения требуемой точности и шероховатости поверхности, а в ряде случаев создают неприемлемые условия для работы вершины резца в зоне твердой кромки или окалины.

Не всякое значение припуска можно считать приемлемым для обработки по технологическим условиям и технико-экономичес­ким показателям. Назначенный припуск может быть признан оп­тимальным, если он обеспечивает:

1)удаление с установленной в рабочей зоне заготовки всех отклонений геометрических параметров обрабатываемой поверх­ности (размера, формы, расположения поверхности относительно технологической базы, высотных параметров волнистости и шеро­ховатости), а также дефектного поверхностного слоя;

2)получение заданных геометрических параметров без следов «черноты», т.е. следов от предшествующей обработки;

3)минимально необходимый срезаемый слой материала.

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПРИПУСКОВ

Существуют три метода определения припусков: опытно-ста­тистический, расчетно-аналитический и вероятностно-статистический.

При первом методе общие и промежуточные припуски устанав­ливаются технологом по таблицам, составленным на основе обоб­щения и систематизации производственных данных передовых заводов.

При применении данного метода устанавливают общий при­пуск, т.е. припуск на всю совокупность технологических переходов механической и химико-термической обработки поверхности. Реже устанавливают промежуточный припуск, т.е. припуск на об­работку данного технологического перехода обработки. Обычно рекомендуемые данные отражают условия изготовления, при ко­торых припуск должен быть наибольшим. Методически часто бы­-

вает не ясно, как проведен анализ статистических данных, какое значение припуска рекомендовано (наименьшее, наибольшее или среднее) и как при этом определялись размеры заготовок. Отсут­ствие этих данных снижает практическую ценность рекомендаций по этому методу.

Недостаток данного метода — завышенные припуски и неучет конкретных условий проектирования технологических процессов.

Стремление изыскать пути повышения эффективности метал­лообработки, экономии материальных, трудовых и энергетических ресурсов в результате обоснованного уменьшения припусков и конкретизации условий обработки привели к созданию расчетных методик, базирующихся на дифференцированном анализе и учете только тех факторов, которые действуют в данных конкретных условиях производства. Этот метод прогрессивный, позволяет смо­делировать условия, близкие к имеющим место на производстве. Основоположник расчетного метода проф. В.М. Кован.

Расчетно-аналитический метод предполагает, что при анализе различных условий обработки установлены основные факторы, определяющие промежуточный припуск. Так, минимальный при­пуск на диаметр цилиндрической поверхности вычисляется по формуле:

где R_{zi -1} — высота неровностей на предшествующей обработке (рис. 4.4).

При выполнении первой операции механической обработки необходимо удалить неровности, имеющиеся на поверхности от­ливки, паковки, штамповки или проката. При выполнении второй операции необходимо удалить неровности, возникающие на пер­вой операции, и т.д. Величину R_z определяют по таблицам спра­вочника [3].

hi-1 — глубина поверхностного дефектного слоя на предшеству­ющей обработке (рис. 4.4). Этот слой по своим физико-механичес- ким свойствам отличается от основного металла, поэтому он дол­жен частично или полностью удаляться на выполняемом переходе. Величина h определяется по таблицам справочника [3].

— суммарное значение пространственных отклонений, оставшихся от предшествующей обработки (векторная величина для цилиндрических поверхностей, рис. 4.5). К таким отклонени-

Рис. 4.4. Поверхностный слой заготовки (вала)

Рис. 4.5. Влияние пространственных отклонений

обрабатываемой поверхности на величину припуска

им можно отнести: отклонение от соосности наружной и внутрен­ней поверхностей втулок (рис. 4.5 а), отклонение от соосности отдельных ступеней базовым шейкам ступенчатого вала (рис. 4.5 в), отклонение от перпендикулярности торцевой поверх­ности валика его оси (рис. 4.5 в), отклонение от прямолинейности оси валика (рис. 4.5 б), отклонение от параллельности обрабаты­ваемой и базовой плоскостей у корпусных деталей и другие по­грешности в расположении обрабатываемых поверхностей отно­сительно базовых. Значение величины Д₂ для заготовок определя­ется по [3].

После механической обработки заготовок значение вычисляем но формуле:

где Kу— коэффициент уточнения [3].

 — погрешность установки заготовки на выполняемом пере­ходе (векторная величина для цилиндрических поверхностей, рис. 4.6).

 

Рис. 4.6. Влияние погрешности установки е на величину припуска: а — обработка валика в патроне; б— обработка втулки по наружной

поверхности с базированием на оправке с зазором

Возникает она из-за непостоянства положения обрабатываемой поверхности при обработке партии деталей. Чтобы компенсиро­вать его, необходимо снять соответствующий слой металла.

При обработке заготовок в приспособлении погрешность уста­новки может быть вызвана неточностью изготовления опорных элементов приспособления или неравномерной осадкой в местах

контакта этих элементов с опорной поверхностью детали. Различ­ная по величине осадка может быть вызвана также и неравномер­ностью зажимных усилий.

Погрешность установки заготовки в приспособлениях е опреде­ляем с учетом погрешностей базирования е_б, закрепления e₃, изго­товления и износа опорных элементов приспособлений е_пр. Так как указанные погрешности являются случайными величинами, то

Погрешность приспособления и износа опорных элементов Е_пр не связана с процессом установки заготовок в приспособлениях, поэтому ее учитывают при рассмотрении точности отдельно. Тогда имеем:

Также погрешность закрепления как результат упругих отжатий элементов станка и деформаций поверхностных слоев детали при­нимается в зависимости от способа ее установки:

     рад/осев

на плавающий передний центр       150/0 мкм

на вращающий задний центр       80/200 мкм

на жесткие центры                     0/200 мкм

в трехкулачковом патроне        200/80 мкм

в цанге                                        90/80 мкм

на разжимной оправке              0/40 мкм

на гладкой оправке                     0/10 мкм

Для других способов направление погрешности закрепления совпадает с направлением действующих сил и принимается:

для черных поверхностей                — 200 мкм

для предварительно обработанных        — 100 мкм

для чисто обработанных                 — 40 мкм

для шлифованных базовых поверхностей — 20 мкм

При обработке деталей из ковкого чугуна и недостаточно тща­тельной правке заготовок расчетные припуски для первого техно­логического перехода механической обработки следует принимать с коэффициентом 1,3.

При расчете припуска под шлифование деталей непосред­ственно после термообработки и правки принимают изогнутость  = 80 мкм на 1 мм длины.

Нормативы составлены применительно к жесткости станков: токарных 1000—1500 кг/мм; круглошлифовальных 1500— 2000 кг/мм; горизонтально-фрезерных 1000—1500 кг/мм; верти­кально-фрезерных 2000—3000 кг/мм; сверлильных 500—700 кг/мм.

Погрешность установки  = 0 при следующих условиях обра­ботки:

• бесцентровое шлифование и обработка в центрах;

• при базировании на магнитной плите и совпадении установоч­ной и измерительной баз;

• при расчете припуска для односторонней обработки;

• при развертывании плавающей разверткой, протягивании от­верстий, раскатке, обкатке, суперфинишировании и полировании.

При обработке поверхностей вращения векторы  и  могут принимать любое угловое положение, предвидеть которое заранее не представляется возможным. Поэтому в целях получения наибо­лее вероятного суммарного значения сложение векторов следует производить по правилу квадратного корня:

Но при обработке плоскостей принимают, что векторы направ­лены перпендикулярно обрабатываемой плоскости, поэтому:

Во всех случаях величина  определяет фактически

смещение в расположении поверхности заготовки в рабочей зоне. Учитываются как смещение, полученное на предшествующем пе­реходе изготовления (на первом переходе — это смещение заготов­ки), так и смещение при установке е_;- в рабочей зоне. Очевидно, что такое же смещение получают и другие поверхности, в том числе измерительная база. Поэтому е₍. учитывают и в суммарной погреш­ности обрабатываемого размера, и в припуске на обработку.

Так как принято, что наблюдается копирование размеров, то имеем соотношение (рис. 4.7)

где D — диаметр элементарной поверхности.

После расчета D_i-1min определяют

Рис. 4. 7. Схема расчета Z_{i min} по расчетно-аналитическому

методу определения припусков

где TD_{i -1} | — допуск на размер Di-1.

Проверку правильности вычислений проводят по формуле:

причем:

Согласно расчетно-аналитическому методу расчетными явля­ются минимальные (для наружных поверхностей) и максимальные (для внутренних поверхностей) размеры. Все значения факторов по этому методу определены по статистическим исследованиям и приведены в справочниках. В расчетно-аналитическом методе об­щий припуск:

На основании вышеизложенного можно считать, что в основу расчетов положен метод максимума-минимума.

Вероятностно-статистический метод определения припусков есть дальнейшее развитие расчетно-аналитического метода. Одна­ко в основу исследования факторов и расчета припусков и разме­ров заготовок положен вероятностный подход, что теоретически более оправдано и дает более близкий к практике результат. Как и ранее, статистические методы использованы при исследовании и обобщении результатов производственного эксперимента в усло­виях производства. В отличие от предыдущего материала выводы содержат не только данные по факторам, определяющим припус-

ки, но и значения средних промежуточных и общих припусков для оговоренных в нормативных материалах условий (в том числе по обеспечиваемой точности) изготовления как заготовок, так и де­талей. Это существенным образом уточняет содержание техноло­гического проектирования и делает более обоснованным опреде­ление размеров заготовки.

Разрабатывают маршрутное, операционное и маршрутно-операционное описание технологических процессов. В первом случае отсутствует четкая последовательность обработки поверхностей. Поэтому здесь не вычисляют промежуточные и общие припуски, т.е. не определяют точно размеры заготовки.

С использованием вероятностно-статистического метода раз­работаны стандарты, в которых указаны значения средних припус­ков (ГОСТ 26645-85, ГОСТ 7505-89). Это позволяет назначать средние промежуточные и общие припуски с учетом геометричес­кой точности заготовок и деталей, а также с учетом характеристи­ки оборудования определять набор переходов, необходимых для получения из заготовки детали с требуемой точностью поверхно­стей.

Средний промежуточный припуск при вероятностно-статисти­ческом методе определяется по формуле

где R — наибольшая высота неровностей; Wz — наибольшая вол­нистость; h — наибольшая высота дефектного слоя; рi,i-1— коэф­фициент корреляции (определяется экспериментально); F— вели­чина отклонения формы в продольном и поперечном сечении; Р— величина отклонения расположения; TR, TF, TP — величины допусков на предшествующем переходе и выполняемом.

В расчетах следует учитывать только те отклонения формы, которые не охвачены допуском размера. При определении TRi-1 принимают во внимание все смещения поверхности заготовки, возникающие как при установке заготовки в рабочей зоне, так и при ее изготовлении. Значение рi,i-1 определяют эксперименталь­но, расчетом или по рекомендациям в [1]. Волнистость учитывают только при черновой обработке отливок, а ее значение определяют по ГОСТ 26645-85.

Средний размер на предшествующем переходе обработки

При известном допуске  предельные размеры