Фактори, що впливають на точність обробки

Розглянемо докладно вплив факторів на точність обробки, що наведені при розгляданні першого питання.

Знос верстата. Металообробні верстати виготовляють з певною точністю, що регламентована ГОСТом. У процесі експлуатації він зношується по поверхнях тертя, змінюються форми та положення його окремих елементів, що негативно сказується на його точності. При цьому похибності одного і того ж елемента верстата впливають по-різному залежно від установи різального інструменту. Так, знос шпинделя викликає збільшення його биття та додатковий зазор, що приводить при обробці до відхилення форми оброблюваної поверхні.

Знос пристосування. Технологічні пристосування виконуються з урахуванням точності виготовлення деталі. При точності обробки деталі по 6-9 квалітету допуски на точні розміри пристосування встановлюються у межах 1/2-1/3 допуску на відповідні розміри деталі, а при більш грубої обробки – складають 1/5-1/10 допуску на відповідні розміри деталі. Отже, на стадії конструювання та виготовлення пристосування вноситься певна похибність, що впливає на точність обробки. Характерними елементами пристосувань, які виходять із ладу, є опорні елементи, направляючі втулки та ін., що збільшують похибність на даному пристосуванні.

Знос інструменту. Різальний інструмент виготовляють з високою точністю, але він значно зношується у процесі роботи. Точність його виготовлення суттєво виявляється на якості обробки при роботі мірним або профільним інструментом (розгорткою, протяжкою, фрезами, різцями та ін.), оскільки вони копіюють свої розміри та профіль в тілі оброблюваної заготівки. Найбільший вплив на зношування інструменту має швидкість різання, а менший – рух подачі та глибина різання. Крім того, на нього впливає величина заднього кута інструменту, зокрема, зо зростанням заднього кута зношування росте. У певній мірі знос різального інструменту можна компенсувати підналагоджуванням верстата.

Похибка установи заготівки на верстаті. Перед початком обробки заготовку встановлюють у пристрій і закріплюють за допомогою затискача, при цьому сила останнього може викликати пружні (або пластичні) деформації заготовки й вплинути на точність обробки. Зниження деформацій до незначних величин досягається відповідним розміщенням опор і затискачів у пристрої. Разом з цим при закріпленні таких нежорстких заготовок, як тонкостінні втулки, кільця, тонкостінні корпусні деталі сила затискача може викликати деформацію або змістити заготівку відносно різального інструменту. У результаті знижуються точність форми й взаємного розміщення поверхонь.

Нежорсткість пружної системи ВПІД. У процесі обробки на систему ВПІД діє сила різання Р, що викликає її пружню деформацію. Силу різання можливо розкласти на три складові , , по осях Z, X і Y з початком координат О у вершині різального леза різця. На точність обробки основний вплив має радіальна складова сили різання, при цьому вплив незначний, а практично не викликає деформації.

У процесі обробки заготовки сила різання змінюється залежно від коливання розмірів і твердості матеріалів оброблюваних заготовок, зносу різального інструменту та ін. Крім того, вона може викликати пружні деформації усієї системи ВПІД і зміщення (відтискання) окремих елементів верстата в результаті однобічної вибірки зазорів. У свою чергу, вказані вище наслідки залежать від радіальної складової сили різання та жорсткості пружної системи ВПІД.

Жорсткість та податливість системи ВПІД. Жорсткість системи характеризує її здатність чинити опір дії сили різання, що викликає деформування системи. Коливання радіальної складової призводять до нерівномірності деформацій та відтискання елементів пружної системи і різального інструменту, що обумовлює появу відхилення форми обробленої поверхні та розмірів деталі. Жорсткість пружної системи ВПІД встановиться за відношенням

, (1.20)

де j - коефіцієнт жорсткості пружної системи;

- радіальна складова сили різання, Н;

y - взаємне зміщення різального інструменту та заготовки, мм.

Крім того, жорсткість пружної системи може бути виражена відношенням у вигляді прирощувань:

. (1.21)

Податливість U системи ВПІД (зворотна величина жорсткості) характеризує здатність її пружно деформуватися під дією зовнішніх сил:

. (1.22)

Для забезпечення більш точної обробки заготовок слід зменшити величину у. Як правило, жорсткість верстата визначається в динамічному режимі при найбільшій податливості. Динамічний метод дослідження жорсткості металорізальних верстатів заснований на аналізі залежності складової сили від глибини різання t та подачі .

Для визначення жорсткості системи доцільно спочатку визначити окремо жорсткості заготовки, пристрою, інструменту, верстата, а потім усієї системи. Жорсткість пружної системи ВПІД при обробці заготівки нежорсткої деталі на токарному верстаті можна записати у вигляді

 

, (1.23)

де - жорсткість задньої і передньої бабки, супорта верстата і деталей відповідно.

У процесі переміщення інструменту відносно оброблюваної поверхні зсуваються точки контакту та прикладання радіальної складової сили різання. У разі, коли для точок контакту жорсткість системи та складової постійна, то може бути тільки відхилення від заданого розміру.

Недостатня жорсткість пружної системи ВПІД призводить до появлення відхилень від заданої форми деталі. Так, при обробці валиків на токарному верстаті при недостатній жорсткості окремих елементів утворюються відхилення форми у вигляді прямого й зворотного конусів, а також вигнутості при нежорстких передній та задній бабки верстата і бочкоподібність при нежорсткій заготовці (рис.1.13). Крім того, недостатня жорсткість обумовлює появу вібрації, знижує продуктивність праці та якість обробки. Отже, зростання жорсткості системи ВПІД сприяє підвищенню точності обробки та продуктивності праці.

 

Рис. 1.13 – Відхилення від форми заготовки при недостатній жорсткості окремих елементів системи ВПІД:

а) – передньої бабки; б) – задньої бабки; в) – передньої і задньої бабки;

г) – заготовки

 

При обробці нежорстких деталей (для типу вала, якщо ) слід підвищувати їх жорсткість шляхом установлення додаткових опор – люнетів, які сприймають силу різання, а також штучним зростанням жорсткості заготовки на час її обробки. Для підвищення жорсткості інструменту вживають заходи щодо утворення додаткових опор у вигляді напрямних втулок для свердл, зенкерів, розгорток або напрямних для розточуваних оправок.

Таким чином, підвищення точності обробки може бути забезпечено збільшенням жорсткості системи ВПІД: наприклад, жорсткості елементів системи ВПІД і закріплення заготовки, контактної жорсткості в спряженнях окремих елементів ВПІД, а також введенням додаткових опор для оброблюваних заготовок.

Температурні деформації. Суттєвий вплив на точність обробки мають температурні деформації, що виникають у заготівці, різальному інструменту та верстаті внаслідок виділення тепла в зоні різання та в результаті тертя його рухомих частин. Крім того, вони можуть з’явитися при зміні теплового режиму цеху за рахунок виділення теплоти від інших верстатів, різних нагрівальних пристроїв.

Тепловий стан технологічної системи може бути стаціонарним і нестаціонарним. При стаціонарному стані має місце теплова рівновага системи, а саме підведення тепла кількісно дорівнює його витратам. До умов цього теплового стану наближаються процеси обробки невеликих заготовок, при яких тепло, що виникає у зоні різання, відводиться потоком охолоджуючої рідини. Цей стан у чистому вигляді не зустрічається через несталість умов, що визначають відведення тепла від системи. Нестаціонарний тепловий стан спостерігається у період пуску верстата після тривалої перерви. Якщо говорити тільки про заготовку, то всякий процес можна вважати нестаціонарним, коли тепло, що виділяється, помітно нагріває заготовку.

З позиції спрощення завдання по виявленню впливу температурних деформацій на точність механічної обробки можна розглядати два періоди роботи верстата: від початку його пуску до отримання теплової рівноваги системи – період нестаціонарного стану, далі до закінчення обробки – період стаціонарного теплового стану.

Особливе значення температурної деформації мають при чистовій та заключній обробці різанням. Наприклад, при обробці в перші 1,5 год. передня бабка токарного верстата нагрівається до 16^оС. Це може призвести до зміщення її частин, зокрема, переднього центру уперед уздовж осі на 0,1 мм в напрямку до задньої бабки. Деформації, що виникають, приводять до відхилень форми заготовки, що негативно позначається на точності обробки. З метою усунення впливу температурних деформацій перед початком обробки рекомендуються включити на деякий час верстат на холостому ходу, протягом якого наступить теплова рівновага системи ВПІД. Зменшення їх у процесі обробки довгих деталей типу планок, рейок, пластин може бути досягнуто наступним чином:

– достатнім рясним підведенням охолоджуючої рідини в зону різання;

– підвищенням швидкості різання, що дозволяє відвести більшу частину тепла в стружку;

– чергуванням операцій з більшим і меншим нагріванням деталі;

– усуненням накопиченого раніше в деталях тепла достатньою витримкою при транспортуванні або у спеціальних холодильниках;

– шліфуванням кругами великих діаметрів;

– застосуванням пружніх або пневматичних пристроїв для підтискання заднього центру при обґрунтуванні, що попереджує випучування, короблення та інші деформації деталі.

Залишкові напруження заготовки. Ці напруження існують в заготовках без дії яких-небудь зовнішніх сил. Звичайно, залишкові напруження в заготовках знаходяться у рівновазі й зовнішньо не виявляються. Проте знімання певної частини металу у вигляді припуску, розрізки, термообробки і ряду технологічних операцій порушує її. У результаті відбувається деформація заготовки та перерозподіл залишкових напружень до нової рівноваги.

Розрізнюють три види залишкових напружень. Напруження першого роду зрівнюються у межах об’єму матеріалу, що співрозмірні з габаритами оброблюваних заготовок. Напруження другого роду утворюються у мікроскопічних об’ємах, а третього роду – в ультрамікроскопічних об’ємах і зрівнюються у межах кількох чарунків кристалевих грат. У технології машинобудування найбільший вплив мають напруження першого роду.

Залежно від застосованого технологічного методу виробництва заготовок розрізнюють наступні залишкові напруження:

– литтєві, що виникають під час охолоджування зливок;

– ковані, що утворюються у поковках і гарячештампуваних заготовках;

– термічні, що утворюються при термообробці;

– зварювальні;

– від накльопу, що виникають при холодній прокатці та штампуванні, волочинні, дрібноструминної обробки та ін.;

– виникаючі при обробці різанням;

– утворюються при електролітичному покритті деталей.

Для зменшення або повного знімання залишкових напружень в конструктивному плані розробляють форму деталі, що відповідає рівномірному охолодженню усіх частин заготовки, а при обробці різанням в обов’язковому порядку чорнову обробку виділяють в окрему операцію. Після чорнової обробки заготовки створюють умови для вільного деформування під впливом перерозподілу внутрішніх напружень шляхом звільнення від затискачів. Значно зменшуються послідовні деформації при застосуванні природного та штучного старіння заготовок.

Копіювання похибок попередньої обробки. Під дією радіальною складової сили різання виникає деформація та зміщення елементів пружної системи ВПІД. Зняття з поверхні заготовки нерівномірного припуску призводить до коливання радіальної складової, а отже, до змінного зміщення системи ВПІД, що обумовлює відхилення форми оброблюваної поверхні. Таким чином, відбувається копіювання адекватної вихідної похибки обробки. При обробці форми заготовки, близькій до готової деталі, знімальний шар металу буде більш рівномірним, а величина більш стабільною і, як наслідок, меншою буде похибка обробки.

 

 

СУМСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

3.4 Основні чинники, що впливають на точність обробки На сумарну ∆Σ точність обробки впливає велика кількість факторів, найбільш важливими серед яких є такі: ∆Σ = f(εу, ∆верст, ∆н, ∆t, ∆зн, ∆пр), (3.9) де εу – похибка установки заготовки перед обробкою; ∆ верст – геометричні похибки верстата; ∆н – похибка налагодження верстата; ∆t – похибка від температурних деформацій елементів Т- системи; ∆ зн – похибка від зносу різального інструмента; ∆ пр – похибка від пружних деформацій елементів Т – системи. Розглянемо причини виникнення та наслідки впливу на точність обробки цих факторів. 3.4.1 Похибка установки заготовки εу перед обробкою Ця похибка є наслідком декількох первісних складових, до яких належать похибка базування εб, похибка закріплення εз та похибка пристосування εпр. Похибка базування εб є наслідком невиконання принципу суміщення баз, тобто якщо технологічна база не збігається з основною конструкторською обо вимірювальною. Тому при розробці схеми базування технолог повинен знати, що найвища точність досягається для розмірів, якщо технологічна та вимірювальна бази збігаються (дивись рисунок 3.12). Для розміру А цей принцип виконується, а для розміру Б – ні. Фреза А Б Рисунок 3.12 - Приклад виникнення похибки базування Сумарне зачення похибки установки можна визначити для різних умов обробки з таблиць, що наведені в багатьох довідниках з ТМБ. 3.4.2 Геометричні похибки верстата ∆ верст Ці похибки пов’язані з неточністю, що виникає під час виготовлення окремих елементів верстата та його складання. Тому зовсім новий верстат вже має ці похибки, вплив яких переноситься на точність розмірів та форми поверхонь, що обробляють на ньому. До таких похибок відносять відхилення від точності взаємного розміщення окремих елементів верстата, наприклад, відхилення від співвісності передньої та задньої бабок токарного верстата, торцеве та радіальне биття шпинделів токарних, свердлувальних, розточувальних та інших верстатів тощо. Допустиме значення цих похибок залежить від класу точності верстата (Н – нормальна, П – підвищена і так далі) і записане в паспорті верстата. Там же викладені схеми вимірювання значення цих похибок в процесі експлуатації верстата. За станом верстата в виробничих умовах слідкує служба головного механіка, яка за спеціальним графіком ППР (планово - попереджувального ремонту) виконує періодичні огляди, а за потреби і ремонти верстата. Вимірювання дійсних значень геометричних похибок верстатів виконують на непрацюючому верстаті, тобто в не навантаженому режимі.

3.4.3 Похибка налагодження верстата ∆н При використанні методу досягнення точності розмірів на заздалегідь налагодженому верстаті існує два основних засоби налагодження інструментів в необхідне положення – статичний і динамічний. При статичному засобі налагодження використовують еталони (копії виробів за формою і розмірами у відповідності до цих же параметрів обробки на даній операції), а також вимірювальні прилади (індикатори тощо) або різноманітні за конструкцією упори, які обмежують переміщення вузлів u1074 верстата. Точність такого виду налагодження верстатів коливається в межах 0,03 – 0,1 мм. При динамічному налагодженні необхідне положення інструментів досягається шляхом поступового знаходження їх необхідного положення при обробці пробної партії заготовок (5 - 10 штук). Точність такого виду налагодження коливається в межах 0,02 – 0,05 мм. 3.4.4 Похибка від температурних деформацій ∆t елементів Т- системи При механічній обробці виникає певна кількість теплової енергії, джерелами якої є зона різання, двигуни, агрегати, пари тертя тощо. Для різних засобів обробки ця теплова енергія в різних пропорціях розподіляється в окремих елементах Т-системи (сам верстат, різальний інструмент, заготовка, охолоджувальна рідина, навколишнє середовище тощо). Температурні деформації верстата, як правило, підвищують його геометричні похибки і таким чином зменшують точність обробки. Температурні деформації різального інструмента впливають на точність обробки в залежності від виду інструмента (мірний, немірний). Для мірного інструмента (свердло, розвертка, шпоночна фреза тощо) ці деформації безпосередньо переходять на розмір поверхні, що підлягає обробці. Для немірного інструмента (різці, торцеві фрези і тому подібні інструменти) температурні деформації можна компенсувати шляхом урахування цих деформацій в налагоджувальному розмірі. Значення цих деформацій для інструментів можна визначити дослідним шляхом для конкретних умов обробки. Температурні деформації заготовки можна зменшити шляхом інтенсивного охолодження зони різання, також шляхом використання оптимальних режимів різання. 3.4.5 Похибка від зносу різального інструмента ∆зн У процесі різання спостерігається знос різального інструмента, який в різні часи роботи змінюється від припрацювання (зменшення шорсткості різальної частини) на пропорційний нормальний знос, який в певний час переходить в катастрофічний знос. Раціональним є використовування інструмента до початку катастрофічного зносу. Після ____цього інструмент треба змінювати або переточувати. Для мірного інструмента, за умови коли поле допуску розміру, що обробляє інструмент, менше, ніж допустимий його знос, заміна інструмента може бути потрібна раніше, ніж точка його катастрофічного зносу. Для немірного інструмента його знос в межах допуску на розмір поверхні, що ним обробляється, може бути врахований в розмірі настройки. В загальному випадку на знос різального інструмента впливають матеріал та стан поверхні заготовки, матеріал різальної частини інструмента, режими обробки тощо. Як правило, розмірний знос інструментів вимірюється в мкм / км шляху різання. 3.4.6 Похибка від пружних деформацій ∆ пр елементів Т – системи При обробці верстат, пристосування, заготовка, різальний інструмент являють собою замкнуту пружну систему, в елементах якої мають місце пружні деформації, викликані дією сил різання. Для оцінки здатності окремих елементів Т-системи до опору зовнішнім навантаженням проф. А.П.Соколовський ввів поняття жорсткості. Жорсткість оцінюється коефіцієнтом жорсткості j, який являє собою відношення сили Р, що прикладена до елемента Т-системи, до його переміщення –. Y мкмНммкНYPj /,/=. (3.10) Для визначення жорсткості використовують два засоби: статичний і динамічний. При статичному засобі на верстат, що знаходиться у вимкнутому стані, накладають за допомогою динамометра зовнішнє навантаження і за допомогою точних приладів, наприклад, індикаторів вимірюють переміщення робочих органів верстата. Для токарного верстата це переміщення передньої та задньої бабок, супорта, деформація самої заготовки. Навантаження здійснюють поступово з деяким кроком (5-10 Н), що дозволяє для кожного кроку зафіксувати переміщення окремих елементів верстата і потім визначити для кожного з них коефіцієнт жорсткості. Цей засіб дозволяє розробити заходи щодо підвищення жорсткості окремих елементів Т-системи, але не дає уяви про її сукупну жорсткість в процесі роботи. При динамічному засобі жорсткість Т-системи визначають при обробці u1085 на верстаті заготовки спеціальної форми, що дозволяє на різних ділянках обробки знімати різні за товщиною шари матеріалу, а це, в свою чергу, викликає різні сили обробки і, як наслідок, різні дійсні розміри оброблених поверхонь. Розрахувавши діючи сили обробки та визначивши за результатами вимірів різницю дійсних розмірів поверхонь можна зробити розрахунок коефіцієнта жорсткості всієї Т-системи в цілому. Недоліки в жорсткості елементів Т-системи призводять до похибок, як правило, форми і взаємного розміщення поверхонь, що підлягали обробці. Наприклад, недостатня жорсткість заготовки при обробці в центрах приводить до появи бочкоподібності поверхні, а недостатня жорсткість передньої та задньої бабок – до сідлоподібності. Досвідчений технолог повинен знати вплив різних складових сумарної похибки обробки на точність, а також знати засоби усунення чи зменшення їх впливу.

 

 

Залежно від вихідної похибки заготовки визначаєть­ся аналогічний показник оброб­ки. Так, при обточуванні на то­карному верстаті заготовки не­правильної форми (рис.1.14) гли­бина різання буде змінюватися від максимального до міні­мального значення. У цьому випадку вихідна похибка заго­тівки складає

. (1.24)

При зніманні максимального припуску система має найбільше пружне відтискання , а мінімального припуску – найменше відтискання . Радіальна скла­дова сили різання буде змінювати­ся від до при постійно­му значенні жорсткості системи. Таким чином, пружне відтискання дорівнює

; , (1.25)

де - жорсткість пружньої системи.

Радіальна складова сили різання

, (1.26)

де - властивості оброблюваного матеріалу;

- подача різального інструменту.

З урахуванням виразу (1.26) похибка деталі дорівнює

. (1.27)

Підвищення точності обробки характеризується відношенням похибок заготовки до деталі після обробки:

. (1.28)

Із цього виразу видно, що краща виправляюча здатність операції, тобто підвищення точності обробки забезпечується при зменшенні подачі.

Неточність засобів і методів вимірювання. У процесі обробки вимірюють розміри поверхонь деталі відносно основних конструктивних баз. Результати вимірювань не точно збігаються з дійсними розмірами за рахунок похибки вимірювання . При звичайних вимірюваннях граничною вважається похибка 1/5-1/10 допуску , що встановлена на вимірювальний розмір. Таким чином, на результат вимірювання отриманого розміру після обробки впливає не тільки похибка обробки, але й вимірювання . Враховуючи похибку вимірювання, зменшують поле допуску для безпосередньої обробки, бо граничне відхилення розміру за кресленням повинно включати похибки обробки й вимірювання, тоді допуск на обробку складе . Отже, необхідно вибирати засоби вимірювання з таким розрахунком, щоб похибка не перевищувала встановлені межі.

Неточність налагоджування верстата. При обробці різанням розміри деталі можуть бути отримані одним з двох способів: пробних робочих ходів з вимірюванням розмірів після кожного ходу і способом автоматичного отримання розмірів на налагоджуваних верстатах. Сутність першого способу полягає в тому, що різальний інструмент підводиться до заготовки і знімає з невеликої ділянки пробну стружку. Після зупинки верстата проводиться пробне вимірювання отриманого розміру, при необхідності вводиться коректива положення різального інструменту, після чого обробляється вся поверхня. Для отримання точних розмірів різальний інструмент на розмір встановлюють після кількох пробних ходів і вимірювань. При такому способі точність заданого розміру в значній мірі залежить від кваліфікації робітника.

Спосіб автоматичного отримання заданих розмірів характеризується роботою на попередньо налагоджувальному верстаті без участі людини. На підставі проведених розрахунків точності обробки вибирають таке положення різального інструменту та пристрою, щоб не допустити браку деталей. Через певні проміжки часу за допомогою автоматичних регулюючих пристроїв виконують налагодження інструменту, яке залежно від виконуючої операції проводиться при зупинці верстата або у процесі обробки. Обробка на налагоджувальних верстатах не потребує часу на пробні вимірювання, зменшує імовірність появи браку, створює сприятливі умови для одночасної обробки заготовок і багатоверстатного обслуговування.