Компенсация систематической погрешности при механической обработке

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Введение

Машиностроение является ключевой отраслью промышленности, так как без использования его возможностей по изготовлению необходимых деталей, изделий, оборудования и т.п. не может обойтись ни одна другая отрасль. Ориентация отечественной промышленности на применение малооперационных, малоотходных и безотходных технологических процессов, на замену в отдельных случаях резания материалов более экономичными методами формообразования не исключают, однако, обработки резанием, которая является и на многие годы останется основным технологическим приемом изготовления деталей машин. Это связано, во-первых, с появлением новых материалов, трудно поддающихся обработке; во-вторых, с усложнением конструкционных форм деталей; в-третьих, с повышением требований к точности и качеству изготовления деталей; в четвертых, с возможностью гибкого управления обработкой резания в отличие от других методов.

Настоящее машиностроение характеризуется широким применением металлорежущих станков с числовым программным управлением и автоматизированных технологических комплексов, работающих по принципу "безлюдной технологии". Для изготовления режущих инструментов используются новые сверхтвердые композиционные материалы, синтетические и природные алмазы [16].

Развитие всех отраслей машиностроения, характеризуется непрерывным повышением требований к точности изготовления деталей и сборки изделий.

Не менее важной является задача повышения точности всех технологических операций. Повышение точности заготовок и повышение точности каждой из операций механической обработки, начиная с черновых, позволяет уменьшить количество ступеней обработки каждой из поверхностей детали (число операций), что дает экономию металла и снижение трудовых затрат. Следует также отметить, что повышение точности механической обработки детали сокращает трудоемкость сборки машин благодаря частичному или полному устранению пригоночных работ.

Сказанное выше указывает на необходимость уделять серьезное внимание вопросам точности на всех этапах создания изделия - при проектировании, при изготовлении его деталей, в процессе сборки и испытания.



1. Точность и погрешность

1.1 Определение точности и погрешности

Под точностью обработки детали понимают степень ее приближения или степень ее соответствия заранее установленному прототипу или образцу. Основной целью механической обработки является достижение заданных значений геометрических параметров. Поэтому можно сформулировать понятие точности обработки следующим образом. Точность обработки детали (точность обработки) - это степень соответствия действительных геометрических параметров детали заданным.

Количественной характеристикой точности служит погрешность обработки - степень или величина несоответствия действительных полученных при обработке детали геометрических параметров заданным. Различают погрешности: формы, размеров поверхностей, координирующих размеров и соотношений.

Все погрешности механической обработки подразделяются на два основных класса:

а) систематические погрешности;

б) случайные погрешности.

Под систематическими погрешностями понимаются погрешности, величина которых, момент появления и направление действия могут быть рассчитаны с применением различных зависимостей физики, химии, математики.

Все систематические погрешности подразделяются на две основные группы:

а) постоянные систематические погрешности;

б) переменные систематические погрешности.

Постоянные систематические погрешности сохраняются практически без изменений в течение всего хода технологического процесса или операции.

Переменные систематические погрешности - погрешности, которые закономерно изменяются в течение технологического процесса или операции.

Под случайными погрешностями понимают погрешности, которые не могут быть определены как по величине, по направлению, а также невозможно определить момент их появления.

Деление погрешностей на систематические и случайные условно. Одна и та же погрешность может в одних условиях обработки деталей рассматриваться как случайная, а в других условиях - как систематическая.

С методической точки зрения целесообразно также различать три категории точности: заданную, действительную и ожидаемую:

- заданная или требуемая точность регламентируется с помощью допусков, назначаемых конструктором на отдельные параметры детали или машины;

- действительная точность характеризуется погрешностью, которая может быть выявлена при измерении отдельных деталей;

- ожидаемая или расчетная - погрешностью, которую предположительно или на основании расчетов можно ожидать после обработки.

Следовательно, ожидаемая точность - это точность, которую рассчитывают получить у всех деталей, которые будут изготовлены по данному технологическому процессу, на данном приспособлении, данным инструментом. Она характеризуется величиной поля рассеяния щ заданного размера некоторой совокупности деталей (1) [19]:

(1)

где и - наибольший и наименьший действительные размеры в пределах совокупности детали.

1.2 Структура погрешности геометрических параметров

Для анализа точности обработки целесообразно классифицировать погрешности по источникам и причинам их возникновения (по «происхождению»). Такими причинами могут считаться заготовка, оборудование и оснастка, но целесообразнее в основу классификации положить физические явления, обусловливающие появление погрешностей: упругие деформации от действия сил резания, тепловые деформации, износ и т.д. Заданные по чертежу значения геометрических параметров могут выполняться либо прямо, непосредственно либо косвенно, через другие параметры процесса.

На рисунке 1 показана операция фрезерования паза с выдерживанием размера А₃ по схеме односторонней обработки [19].

Рисунок 1 - Схема образования операционной погрешности

Размер А₃ координирует обработанную поверхность (дно паза) относительно нижнего торца детали, являющегося базой. Вследствие воздействия различных факторов, связанных с методом обработки (упругие деформации узлов станка, износ инструмента и др.), обработанная поверхность у различных деталей партии будет занимать различное положение относительно базы обработки - станка в пределах поля щ_0i. Аналогично будет иметь место изменение положения базы (нижнего торца) у партии деталей за счет воздействия причин, связанных с установкой и базированием детали. На рисунке 1 показано поле этого колебания щ_yi.

Тогда операционная погрешность - погрешность размера А₃ будет равна (2):

, (2)

Последнее равенство является доказательством уравнения (3).

Для этого общего случая операционная погрешность может быть представлена состоящей из двух частей:

, (3)

При выполнении размеров по схеме двухсторонней обработки, а также для размеров между поверхностями, обрабатываемыми при одной установке, способ не будет влиять на точность таких размеров, т.е. . = 0. Для этого случая операционная погрешность = .

В свою очередь, каждая из составляющих и представляет собой сумму первичных или элементарных погрешностей соответственно обработки и установки. Первичной называют погрешность, обусловленную действием какого-либо (одного) производственного фактора, например, износа инструмента, тепловых деформаций детали и т.д.

Для наглядности на рисунке 2 изложенная классификация погрешностей представлена в виде схемы [19]:

1.3 Определение первичных погрешностей обработки

Определение первичных (элементарных) погрешностей обработки выполняется с целью получить качественные и количественные зависимости для оценки влияния основных производственных факторов на точность обработки, изыскать пути повышения точности обработки, получить исходные данные для определения расчетным путем результирующей (суммарной) операционной погрешности.

Рисунок 2 - Схема классификации погрешностей

Каждая из первичных погрешностей может быть определена аналитическими или экспериментальными методами. Наиболее достоверные результаты получаются при сочетании, совместном использовании обоих названных методов [19].

В реальных производственных условиях факторы, вызывающие появление погрешности обработки, действуют одновременно, совместно. При установлении же зависимости между отдельно взятым производственным фактором и обусловленной его воздействием первичной погрешностью допускают, что в это время другие факторы как бы отсутствуют, не действуют. Такой методический прием является вынужденным, так как наличие большого разнообразия действующих факторов, условий производства, порождающих геометрические погрешности изделия, затрудняет изучение причинно-следственных связей механизма их образования (Рисунки 3, 4) [1].

Рабочий процесс осуществляется с помощью технологической системы, находящейся под воздействием множества факторов, реакция технологической системы на который и приводит к отклонению качества изделия.

Рисунок 3 - Схема процесса формирования качества изделия

Технологическая система препятствует воздействию этих факторов такими своими свойствами как жесткость, прочность, износостойкость, теплостойкость, виброустойчивость и др. Следовательно, чем выше качество технологической системы, тем меньше влияние факторов на качество изготовления изделия.

Рисунок 4 - Схема причинно-следственных связей формирования отклонений качества деталей при механической обработке

Многочисленные исследования показали, что большинство первичных факторов действуют косвенно или непосредственно через теплоту и усилия. Тепловое и силовое воздействие порождает упругие и тепловые перемещения, вибрации, изнашивание, деформации элементов технологических систем, обусловленные остаточными напряжениями, что нарушает заданные параметры режима рабочего процесса и в итоге приводит к отклонению фактического относительного движения рабочих поверхностей системы от заданного. Кроме того, на геометрические погрешности изготовления оказывает влияние геометрическая неточность самой системы.

Основные причины погрешностей механической обработки связаны с:

- геометрической неточностью станка;

- погрешностью установки заготовки (ориентации и закрепления);

- неточностью изготовления, установки, настройки и размерного износа режущего инструмента;

- упругими деформациями технологической системы;

- тепловыми деформациями;

- деформацией заготовок из-за перераспределения остаточных напряжений;

- систематическая погрешности теоретической схемы обработки;

- упрощением теоретической схемы обработки.



2. Механизмы образования погрешностей механической обработки

В данной главе рассмотрены механизмы образования систематических погрешностей при механической обработке, причиной возникновения которых являются упругие перемещения технологической системы, вибрации её элементов, остаточные напряжения в обрабатываемых заготовках, тепловые перемещения элементов технологической системы, их износ, а также образования погрешностей изготовления изделия на технологическом переходе.

2.1 Упругие перемещения технологической системы

2.1.1 Общее определение упругих перемещений технологической системы

Упругие перемещения технологической системы представляют собой перемещения и повороты ее деталей, обусловленные собственно упругими перемещениями деталей, контактными деформациями и выбором зазоров между деталями и являются функцией действующих сил, их моментов и жесткости технологической системы, препятствующей их возникновению.

На рисунке 5 а показан процесс упругих перемещений, при которых точка А детали I под действием силы Р перемещается относительно детали II. Для упрощения рассмотрим перемещения точки А под действием момента силы Р, приложенной в этой точке, направленной параллельно плоскости, пересекающей чертеж по оси у[1].

В результате роста значения силы Р от Р₁ до Р₅ происходит перемещение точки А на величину от у₁ до у₅ , что отображено соответственно на графике 5. ж. Наблюдается не только прямолинейное перемещение точки А, но и поворот детали I вокруг оси (Рисунок 5 г), контактную деформацию на сопряженных участках поверхностей деталей I и II (Рисунок 5 д),а затем статическое равновесие, так как моменты, создаваемые силой Р и силой тяжести G, становятся равны:

Рисунок 5 - Схема кривой зависимости упругих перемещений под действием силового фактора

В результате роста значения силы Р от Р₁ до Р₅ происходит перемещение точки А на величину от у₁ до у₅ , что отображено соответственно на графике 5. ж. Наблюдается не только прямолинейное перемещение точки А, но и поворот детали I вокруг оси (Рисунок 5 г), контактную деформацию на сопряженных участках поверхностей деталей I и II (Рисунок 5 д),а затем статическое равновесие, так как моменты, создаваемые силой Р и силой тяжести G, становятся равны (4):

Задача становится сложнее, если рассматриваются две детали, соединенные другими. В этом случае относительное перемещение соответствующих точек двух деталей данного узла должно учитывать все перемещения в узле из-за имеющихся зазоров в стыках, деформаций, поворотов деталей, например, шпиндель соединяется с корпусом коробки скоростей при помощи подшипников и втулок.

При увеличении действующих сил в итоге выбора зазоров сопротивляемость деталей технологической системы растет и при равенстве активных сил и сил сопротивления возникает равновесное состояние; перемещения и повороты, нарушающие заданное относительное движение заготовки и инструмента, прекращаются.

«Роль активных сил и их моментов играют силы и моменты рабочего и сопутствующих процессов; например, в станке действуют сила резания и сила зажима заготовки. Кроме того, действуют силы тяжести элементов технологической системы, силы инерции, трения, которые, как и любая другая сила, характеризуются величиной, направлением и положением точки их приложения».

2.1.2 Жесткость частей технологической системы

Воздействию силового поля, как правило, неравномерному, на упругие перемещения препятствует жесткость технологической системы, которая зависит от её «конструктивных особенностей, материала деталей, вязкости смазочного материала и его объема, погрешностей формы поверхностей стыков, степени нагрева и др. Впервые вопросы жесткости были подробно изучены применительно к металлорежущим станкам».

Под жесткостью j, Н/мм, сборочной единицы понимают отношение приращения нагрузки к получаемому приращению упругих перемещений (5):

Значения жесткости в статическом состоянии и во время работы могут существенно различаться из-за нагрева системы или возникновения вибраций.

Жесткости частей технологической системы зависят во многом от схемы базирования заготовки и инструмента, а жесткость заготовки - от ее конструкции.

В общем случае можно записать, что относительное упругое перемещение заготовки и инструмента (6):

(6)

где у - упругое относительное перемещение заготовки и инструмента;

y_з - упругое перемещение заготовки относительно станины станка;

y_д - собственные упругие деформации заготовки;

у_и - упругое перемещение инструмента относительно станины станка.

Каждое слагаемое можно представить как отношение силы к жесткости (7):

где , , - жесткость соответственно группы деталей от заготовки до станины, заготовки и группы деталей от инструмента до станины.

Податливость [мм/Н], величина, обратная жесткости, «характеризует способность сборочной единицы изменять относительное положение выбранных точек двух ее деталей в направлении действующей результирующей силы, т.е. (8):



И жесткость, и податливость являются качественными характеристиками технологической системы, определяющими ее физическое состояние. Их следует определять при строгой регламентации всех факторов, оказывающих на них влияние» [1].

В процессе фрезерования возникает сила резания, действующая на инструмент и вызывающая отжатия инструмента, заготовки, приспособления и частей станка, которые можно регулировать правильным выбором режимов резания, режущего инструмента, приспособлений, исправным состоянием станка. Сильно увеличенная деформация технологической системы показана на рисунке 6.

Рисунок 6 - Схема деформации технологической системы в процессе фрезерования

Вопросы упругих перемещений в процессе, например, концевого фрезерования нежестких деталей на многокоординатных станках с ЧПУ в настоящее время широко изучаются, поскольку это связано, например, с качеством производства нежестких деталей.

Жесткость фрезерного станка должна соответствовать стандартным нормам жесткости. На рисунке 7 дана схема установки приборов при испытании на жесткость шпиндельного узла вертикально-фрезерного станка. В шпинделе станка укреплена специальная оправка 7, а на столе станка - стойка 2. Между ними установлен динамометр 3, работающий при испытании на растяжение (при определении жесткости в обратном направлении стойку и динамометр переносят на левую сторону). Нагрузка на шпинделе создается через динамометр, с помощью рукоятки 4 винта продольной подачи стола. Величину отжатий шпинделя измеряют индикатором 5.

Существенным недостатком в данном случае является определения статической жесткости, которая не соответствует реальной жесткости узлов станка в работе [5].

Рисунок 7 - Схема установки приборов для проверки жесткости шпиндельного узла вертикально-фрезерного станка: 1 - оправка; 2 - стойка; 3 - динамометр; 4 - рукоятка; 5 - индикатор

Недостаточно знать жесткость станка, чтобы судить о жесткости технологической системы в целом; нужно иметь данные и о жесткости других элементов системы.

Жесткость технологической системы определяется жесткостью каждого её элемента [10]:

- отжатие (деформация), например, концевой фрезы при контурном фрезеровании на станке с ЧПУ из-за малого диаметра, чтобы получить криволинейные поверхности малого радиуса или значительного вылета из патрона, чтобы обработать за один рабочий ход всю ширину поверхности (или глубину паза).

Деформация концевой фрезы (Рисунок 8), вызывающую соответствующую погрешность обработки рассчитывается по формуле [23]:

где - деформация фрезы в направлении, нормальном к обрабатываемой поверхности, (мм);

Р - сила, приложенная к концу фрезы, (н);

L - длина фрезы до места посадки в шпиндель, (н);

- коэффициент, учитывающий жесткость фрезы.

Рисунок 8 - Схема деформации концевой фрезы

- недостаточная жесткость оправок, на которые устанавливают фрезы или наборы фрез, может вызывать значительные отжатия инструмента от заготовки и вибрации и существенно снижать точность обработки.

- станочное приспособление должно обеспечить прочное и надежное закрепление заготовки, исключающее возможность ее смещения при обработке, причем в случае винтовых зажимов существует вероятность смятия металла, а также превышение силы зажима, следовательно, деформация закрепленной детали, а после обработки - образование нарушений формы и расположения поверхностей. Механизированные же средства закрепления заготовок - пневматические, пневмогидравлические, гидравлические, обеспечивают постоянную легко регулируемую силу зажима, и особенно хороши в этом отношении приспособления с закреплением заготовки с помощью мощных пружин и с механизированным разжимом, которые надежны ещё и тем, что не зависимы от давления сжатого воздуха или масла, подводимого к силовому приводу. Конструкция приспособления должна обеспечивать высокую жесткость закрепления заготовки, исключать изгиб и вибрации корпуса в случае излишней его высоты.

На рисунке 9 сравниваются схема а со встроенным и отделенными схема б силовыми приводами С. Первая схема кажется более удачной (один силовой привод, компактное размещение элементов), тем ни менее, в низком приспособлении, где обеспечена надежная связь заготовки со столом станка (вторая схема), можно вести фрезерование на более высоком режиме резания и не опасаться возникновения вибраций [10].

Рисунок 9 - Схемы компоновки фрезерного приспособления

2.1.3 Методы повышения жесткости частей технологической системы

Методы повышения жесткости[6]:

- геометрическая правильность стыковых поверхностей (плоскостность, цилиндричность) и чистота их обработки;

- уменьшения числа стыков;

- конструкция, состояние и расположение некоторых слабых звеньев узла, например, регулирующего клина направляющих, т. к. жесткость узла со стороны расположения клина всегда меньше. Это надо учитывать при работе на станке, особенно со значительными усилиями. Продольную подачу стола на консольно-фрезерных станках лучше производить так, чтобы усилие подачи воспринималось стороной без клиньев (подразумеваются поперечные направляющие стола и вертикальные - консоли);

- центричность приложения нагрузки к стыку, внецентричная нагрузка ухудшает условия работы, износа и снижает жесткость за счет усиления деформации поверхностных слоев; причиной этого является получающаяся неравномерность удельного давления по длине стыка;

- создание предварительного натяга, - он ослабляет влияние деформаций, вызываемых приложением силы Р, так как эта сила должна сначала преодолеть действие предварительного натяга и лишь потом может вызывать деформацию» [6].

2.2 Вибрации элементов технологической системы

Вибрации, возникающие при резании, приводят к снижению стойкости инструмента, ухудшают качество обработки, заставляют работать на пониженных режимах резания. Вибрации -- это происходящие с большой частотой периодические колебания станка, инструмента и заготовки. Колебания появляются под влиянием так называемых возмущающих сил.

2.2.1 Виды вибраций

В зависимости от характера, физической сущности процесса различают вынужденные колебания и автоколебания (т. е. самовозбуждающиеся колебания).

Вынужденные колебания появляются под действием периодически изменяющихся сил резания и сил, возникающих при быстром движении частей станка, но не связанных непосредственно с резанием.

Периодическое изменение силы резания при фрезеровании происходит в моменты врезания в заготовку каждого зуба фрезы или связано с биением зубьев фрезы - это первая группа причин вынужденных колебаний. Вторая группа - причины, связанные с неуравновешенностью и погрешностями частей станка и инструментов. К этой же группе относятся колебания, передаваемые станку близко расположенными другими станками и машинами [10].

Автоколебания (колебания, возникающие в результате самовозбуждения) появляются независимо от того, имеются ли внешние возмущающие силы. Причиной могут стать неравномерность резания, периодическое изменение силы сопротивления металла резанию, колебания силы трения между инструментом, стружкой, заготовкой и др. Источником энергии, необходимой для автоколебательного процесса, служит электродвигатель станка. Их частота вибраций не связана непосредственно с режимом работы станка и равна собственной частоте системы.

Частота и интенсивность вынужденных колебаний элементов технологической системы в значительной степени зависят от режима обработки. Чтобы устранить или уменьшить вынужденные колебания, применяют разные способы. Одни из них - уменьшение возмущающих сил при более тщательной обработке деталей станка, балансировке деталей, уменьшении биения фрез и изоляции станка от другого работающего оборудования и др.

Например, процесс фрезерования, характеризующийся периодическим изменением силы резания, связанным с врезанием и выходом зубьев инструмента из металла, создает благоприятные условия для появления и поддержания вынужденных колебаний. Поэтому в настоящее время активно исследуются способы ведения процесса, при которых нарушается строго периодический, циклический характер изменения действующих сил.

Один из таких способов - применение фрез с неравномерным шагом зубьев. Концевые разношаговые фрезы конструкции фрезеровщика В.Я. Карасева работают без вибраций на высоких режимах резания по различным обрабатываемым материалам [14].

Для обработки заготовок из нержавеющей стали И.М. Левиным и другими авторами разработаны концевые фрезы, у которых неравномерность шага достигается применением для каждого зуба угла наклона винтовой поверхности, отличающегося от других. Об эффективности применения таких фрез свидетельствуют специальные исследования. Обрабатывали уступы на заготовках из нержавеющей стали 12Х18Н10Т на вертикально-фрезерном станке 6Н12 концевыми фрезами диаметром 45 мм из быстрорежущей стали с обильным охлаждением 10%-ной эмульсией. Фрезы затачивали с углами = 15°, = 14°. Углы наклона винтовых зубьев = 45°, = 40°, = 43°, = 38°, шаг зубьев на торце фрезы равномерный, а на цилиндрической рабочей части меняется из-за разных углов наклона зубьев. Чем дальше от торца, тем разность шагов больше. Фрезерование вели при глубине резания t = 6 мм, подаче на зуб = 0,2 мм, ширине фрезерования В = 30 мм; скорость резания изменялась от 8 до 43 м/мин.

Для сравнения обработку заготовок в аналогичных условиях выполняли концевыми фрезами такого же диаметра, но с одинаковым углом наклона = 45° и неравномерным шагом зубьев.

Рисунок 10 - Амплитуда колебаний

Рисунок 11 - Шероховатость поверхности при работе фрезой с равным углом наклона зубьев (1) и фрезой с неравномерным шагом зубьев

С помощью вибродатчиков измеряли амплитуды колебания при работе фрез обеих конструкций (Рисунок 10) Сравнивали также получаемую шероховатость обработанной поверхности (Рисунок 11).

В результате - при работе разношаговыми фрезами с разным наклоном зубьев вибрации снижаются, меньше становится и шероховатость обработанной поверхности, что связано с нарушением ритмичности изменения силы резания и изменении силы трения при разных положениях винтовой режущей кромки. Это позволяет повысить режим резания, а, следовательно, и производительность обработки [14].

2.2.2 Конструктивные методы снижения вибраций

Конструктивные методы снижения вибрации [6]:

- повышение жесткости всех элементов системы станок-инструмент-деталь. Это затрудняет возникновение не только автоколебаний, но и вообще каких бы то ни было вибраций, т.к. при этом повышается частота собственных колебаний системы и, следовательно, понижается интенсивность (амплитуда) вибраций;

- рассеивание энергии колебаний системы (демпфирование). Вибрации уменьшатся или прекратятся, если при устойчивой амплитуде незатухающих колебаний общая энергия затухания (поглощения) за счет присоединения дополнительных демпферов окажется больше энергии возбуждения. На практике это достигается применением различной конструкции виброгасителей (устройство, включение которого в колебательную систему резко увеличивает её затухание): сухого или вязкого трения; ударного действия; динамического действия;

- антивибрационный монтаж станков и применение виброизоляции стационарного технологического оборудования предприятий, т.е. фундаментов.



2.2.3 Технологические методы снижения вибраций

Мероприятия, направленные на некоторое уменьшение, сил резания и соответственно, снижение вибраций:

- применение стратегий высокоскоростной и сверхскоростной обработки;

- механическая обработка с адаптивным управлением частотой вращения шпинделя главного привода с целью подавления регенеративных колебаний;

- предварительное моделирование динамики процесса фрезерования с целью выбора режимов резания с наименьшим уровнем вибраций.

2.3 Остаточные напряжения в обрабатываемых деталях

2.3.1 Общее определение остаточных напряжений

Остаточными являются внутренние напряжения (во всём объёме детали или в части его), оставшиеся в деталях после снятия нагрузок или воздействия внешних факторов.

В результате механического, термического, химического воздействия нарушается существующее равновесие внутренних напряжений и происходит их перераспределение, что приводит к деформации детали. Затем наступает новое равновесное состояние.

Различают:

- напряжения I рода - макронапряжения, охватывающие области, соизмеримые с размерами детали;

- напряжения II рода - микронапряжения, распространяющиеся на отдельные зерна или группу зерен металла;

- напряжения III рода - субмикроскопические, связанные с искажениями атомной решетки кристалла» [1].

Непосредственная же причина этих напряжений - неоднородность изменений в смежных макро- и микроскопических объемах металла. В соответствии с причиной образования напряжения подразделяют на:

- конструкционные напряжения, которые вызываются в изделии нормальными или анормальными процессами, происходящими в конструкции;

- технологические напряжения, образующиеся в процессе ее изготовления в связи с неоднородным (неравномерным) нагревом или охлаждением; фазовыми или структурными превращениями металла, а также происходящими в нем диффузионными процессами; пластической деформации при наклепе.

Механическая обработка (точение, фрезерование, шлифование и т.д.), как правило, вызывает появление в тонком поверхностном слое значительных остаточных напряжений. Основной особенностью этих напряжений является малая глубина их действия (десятые доли миллиметра) [12] и возникают как результат пластической деформации поверхностного слоя и нагрева зоны резания. Перераспределение внутренних напряжений происходит не сразу, а постепенно, и также постепенно происходит изменение формы заготовки и готовой детали. В практике бывают случаи, когда исходная заготовка, получившая большие остаточные напряжения, проходит черновую обработку. Частично перераспределяются внутренние напряжения и деформация заготовки. Получившиеся при этом искажения формы устраняют при чистовой обработке. Готовую деталь, если она годная, ставят на машину, а через некоторое время уже при эксплуатации выясняется, что деталь быстро изнашивается, причина этого - ее деформация, которая произошла после того, как деталь полностью обработали. Проявляется упругое последействие деформирующей способности технологических остаточных напряжений (ТОН) [4]:

- в маложестких деталях упругое последействие проявляется через высвобождение остаточных напряжений в результате коробления детали;

- в массивных деталях остаточные напряжения сохраняются и в совокупности с рабочими напряжениями в процессе эксплуатации оказывают влияние на формирование локальных дефектов и отказы, ограничивающие ресурс изделия.

2.3.2 Пути снижения внутренних напряжений при механической обработке

Поэтому необходимо уделять самое серьезное внимание устранению внутренних напряжений. Самый простой путь устранения внутренних напряжений - разделение обработки резанием на несколько этапов. На первом этапе выполняют черновую обработку, удаляя наибольшую часть припуска с поверхностей заготовки. Затем передают заготовку на получистовую обработку и заканчивают изготовление детали на третьем этапе - чистовой обработке. Так как обычно заготовки обрабатывают партиями, а черновую, получистовую и чистовую обработки ведут на разных станках, а иногда и в разных цехах, то между черновой и получистовой обработками проходит определенное время. За это время происходит в основном перераспределение внутренних напряжений и деформация заготовки. Чем больше промежуток времени между черновой и чистовой обработками, тем меньше опасность искажения формы готовой детали. Длительное выдерживание (вылеживание) заготовок для снятия остаточных напряжений называют естественным старением. Процесс естественного старения очень медленный [21]

2.4 Тепловые перемещения элементов технологической системы

2.4.1 Общее определение тепловых перемещений

Тепловые перемещения являются функцией выделяемой теплоты и теплостойкости технологической системы, т.е. способности ее сопротивляться тепловым перемещениям. Основными источниками теплоты являются рабочий процесс, работа, затрачиваемая на преодоление сил трения, возникающих при соприкосновении движущихся деталей в механизмах, электродвигателях, гидроприводах. Другим источником теплоты является окружающая среда (нагретый воздух, лучи солнца, нагревательные устройства). При этом элементы технологической системы нагреваются неодинаково вследствие различного расположения источников тепла, их интенсивности и длительности выделения теплоты. На рисунке 12 показана неравномерность температурного поля технологической системы.

Рисунок 12 - Температурное поле станка (цифры показывают перепады температур в )

Неравномерность нагрева порождает различные тепловые деформации элементов системы. Элементы системы не имеют термоизоляции, поэтому происходит непрерывный теплообмен между более и менее нагретыми частями.

«Теплостойкость технологической системы определяется ее конструкцией, схемами базирования деталей, коэффициентами линейного расширения материала деталей, наличием зазоров в соединениях деталей, расположением источников тепла» [1].

Тепловые перемещения в отличие от упругих, прекращающихся сразу после снятия нагрузки, исчезают постепенно по мере охлаждения, что существенно влияет на точность обрабатываемых деталей.

Тепловое состояние технологической системы подвижно в результате попеременно действующих источники тепла, неравномерности выделяемого тепла, перерывов в работе технологической системы и др., что существенно усложняет картину тепловых перемещений.

2.4.2 Тепловые деформации станка

Среди тепловых деформаций станка следует выделить неравномерный нагрев станины, разность температур отдельных элементов которой может достигать 10°С и более.

Разные точки шпинделя нагреваются с разбегом в пределах 10...50°С. Особенно большой нагрев в области подшипниковых узлов, на 30...40% выше средней температуры корпусных деталей, в которых они смонтированы. Например, шпиндель передней бабки токарного станка может сместиться в вертикальной и в горизонтальной плоскостях на несколько сотых долей миллиметра. Аналогичным температурным деформациям подвержены быстроходные валы винты подачи, если они имеют большую длину рабочей части.

2.4.3 Тепловые деформации заготовок

В результате выделения тепла в процессе резания происходят тепловые деформации обрабатываемых заготовок. Известно, что основное количество тепла переходит в стружку, а в обрабатываемую заготовку - незначительное количество, что справедливо и для фрезерной обработки.

Например, при фрезеровании плоскостей в деталь переходит небольшое количество тепла в отличие от фрезерования уступов, пазов. При фрезеровании массивных деталей тепловые деформации несущественно влияют на точность размеров в отличие от фрезерования нежестких заготовок. Обильное охлаждение позволяет практически устранить нагрев заготовки.

2.4.4 Тепловые деформации инструмента

Некоторая часть теплоты, выделяющейся в зоне резания, переходит в режущий инструмент, вызывая его нагревание и изменение размеров.

Авторы статьи «Seco Tools: Контроль механических нагрузок при фрезеровании», рассматривая процесс фрезерования как переменный, то есть зубья периодически входят в заготовку и выходят из нее, и температура режущей кромки возрастает и понижается, отмечают, что, «как правило, 10% тепла поглощает заготовка, 80% - стружка, 10% - инструмент. Оптимальным считают, если стружка отводит большую часть тепла, так как высокие температуры сокращают срок службы инструмента и могут повредить обрабатываемую деталь». На рисунке 13 схематично представлены факторы, влияющие на теплообразование в зоне резания.

Рисунок 13 - Факторы, влияющие на теплообразование в зоне резания

- теплопроводность пластины и заготовки;

- скорость резания и подача;

- геометрия режущей кромки.

Также авторы делают выводы, что «уровень и перепад температуры во многом определяют тип и уровень износа, и соответствующий срок службы инструмента.

Разная теплопроводность материалов, как и другие факторы, оказывает существенное влияние на распределение тепла. При обработке заготовок с низкой теплопроводностью большее количество тепла приходится на инструмент. Кроме того, при обработке более твердых материалов производится большее количество тепла. В целом при обработке с высокими скоростями резания тепловыделение выше, а при обработке с высокой подачей увеличивается площадь режущей кромки, подверженная воздействию высоких температур.

В связи с переменным характером процесса фрезерования зубья участвуют в теплообразовании только часть общего времени обработки. Время, когда зубья фрезы взаимодействуют с заготовкой, зависит от дуги контакта, которая определяется радиальной глубиной резания и диаметром фрезы. Различные фрезерные процессы характеризуются разными дугами контакта (Рисунок 14), например, при обработке пазов фреза наполовину погружается в материал, и дуга контакта составляет 100% диаметра инструмента. Половину времени обработки режущие кромки проводят в зоне резания, и теплообразование происходит быстро. При боковом фрезеровании относительно небольшая часть фрезы единовременно взаимодействует с заготовкой, и режущие кромки лучше отводят тепло в воздух. Избыточное воздействие тепла на инструмент сокращает его срок службы, ускоряя износ или деформацию.

Рисунок 14 - Влияние величины угла контакта на теплообразование в зоне резания

Твердосплавный режущий инструмент, изготовляемый из порошковых металлов - твердых, но хрупких, следует применять при температурах выше минимального критического уровня, при этом увеличивается прочность материалов, содержащих порошковый металл, при слишком же низких температурах резания хрупкий инструмент ломается, выкрашивается или провоцирует нарост кромки. Необходимо точно соблюдать диапазон температур резания.

Контролировать температурные нагрузки помогает геометрия фрезы и зубьев. Геометрия фрезы определяет позиционирование инструмента относительно заготовки. Фрезы с позитивным передним углом режущей кромки, при котором зубья плавнее входят в материал заготовки, как бы «выравнивают» его, обеспечивают пониженные усилия резания и производят меньше тепла, позволяя использовать повышенные усилия резания. Однако, инструмент с позитивным углом слабее, чем с негативным. Проблема отрицательного угла заключается в том, что он увеличивает силы резания, а это не подходит для обработки миниатюрных деталей, тонкостенных конструкций или же вязких материалов, таких как нержавеющая сталь, малоуглеродистая сталь, суперсплавы и алюминий (образуется нарост). Повышение нажима на деталь приводит к её деформации.

Геометрия режущей кромки определяет и контролирует процесс резания и усилия резания и влияет на тепловыделение. Кромка инструмента может сточиться, скруглиться или заостриться в месте контакта с заготовкой. Сточенные или скругленные кромки прочнее, но также требуют повышенных усилий резания при высоком теплообразовании. Заостренная кромка обладает меньшей прочностью, но снижает усилия резания и теплообразование.

Еще один способ контролировать теплообразование при обработке металла -- применение СОЖ, когда это целесообразно/

Таким образом, можно выделить основные пути управления тепловыми явлениями при резании лезвийным инструментом [24].

2.4.5 Пути регулирования теплообразования и снижения температуры при механической обработке

С целью общего изменения температуры:

- регулирование мощности теплообразования (изменением режима работы, высокоскоростная и сверхскоростная обработка, варьированием геометрией и конструкцией инструмент, распределение работы резания между несколькими инструментами или зубьями, работающими последовательно или одновременно, например, замена расточного резца зенкером с числом зубьев n)

- регулирование длительности контакта инструмента с обрабатываемым материалом (строгание, фрезерование, фрезоточение)

- применение ротационных способов обработки

- применение смазочно-охлаждающих технологических сред (основное правило рационального применения охлаждающих сред состоит в том, что главным объектом охлаждения должен быть сам инструмент, а не стружка или заготовка; при прочих равных условиях предпочтительнее применять инструментальный материал, имеющий большую теплопроводность; инструмент с каналами для СОЖ)

- комбинирование в технологической подсистеме различных видов энергии, (при комбинировании кроме основной (механической) энергии, расходуемой непосредственно на резание, в технологическую подсистему вводят еще какую-либо энергию (тепловую, электрическую и др.) - электроконтактный нагрев (ЭКН), резания с опережающим пластическим деформированием (ОПД), нагревания заготовки при резании токами высокой частоты (ТВЧ) и плазменной дугой или струей низкотемпературной плазмы (ПН), лазерный нагрев (ЛН), который используется при чистовой обработке заготовок из весьма прочных и вязких материалов)

С целью направленного изменения температуры (выбор материала и рациональной конструкции режущего инструмента):

- регулирование размеров контактных площадок

- применение дополнительных теплоотводящих кромок и фасок

- выбор положений и размеров режущих пластин

- выбор коэффициентов теплопроводности пластин

технология механический погрешность механизм компенсация



2.5 Изнашивание элементов технологической системы

2.5.1 Общее определение изнашивания частей технологической системы

Изнашивание элементов технологической системы - это постепенное изменение их размеров и формы из-за постоянных силовых и тепловых воздействий, а значит нарушение размерных связей технологической системе и возникновение погрешностей относительного положения и движения исполнительных поверхностей.

Основные виды изнашивания:

- механическое (абразивное, эрозионное, усталостное, коррозионное, фреттинг-коррозионное и др.), возникающее в результате механических воздействий;

- молекулярно-механическое, происходящее в результате одновременного механического воздействия и молекулярных или атомных сил;

- коррозионно-механическое, обусловленное трением материала, вступившего в химическое воздействие со средой.

Величина износа и его скорость зависят от многих причин, таких как род и характер трения (покоя или движения, условия, среда), удельное давление, степень нагрева и условий, в которых протекает изнашивание, а именно форма и размеры трущихся поверхностей, качество поверхностей, материал, наличие и качество смазывающего материала, присутствие абразива и др.

Такие детали технологической системы как режущий инструмент, пуансон, поршень, направляющие станин и т.п., выполняющие непосредственно рабочие функции и подвергающиеся в большей степени силовым и тепловым воздействиям, имеют наибольшую степень износа.



2.5.2 Погрешности, связанные с неточностью, износом и деформацией оборудования

Погрешности изготовления и сборки оборудования контролируются стандартными методами проверки его геометрической точности, т.е. точности в ненагруженном состоянии.

Применительно к металлорежущим станкам, параметрами, характеризующими их геометрическую точность, являются, например, следующие:

- прямолинейность и параллельность направляющих;

- параллельность оси шпинделя к направлению движения каретки

(для токарных станков);

- перпендикулярность оси шпинделя к плоскости стола (для фрезерных станков);

- биение конического отверстия в шпинделе станка и т.д.

Указанные характеристики геометрической точности станков задаются в миллиметрах и для станков нормальной точности (станки группы Н), предназначенных для обработки заготовок средних размеров в пределах допусков IT9 составляют 0,01 - 0,05 мм. Более высокоточные станки характеризуются тем, что численные значения соответствующих параметров уменьшаются и составляют в процентах относительно значений для станков группы Н:

- станки повышенной точности (группа П) - 60%;

- станки высокой точности (группа В) - 40%;

- станки особо высокой точности (группа А) - 24%;- станки особо точные (группа С) - 16%.

Точность станков с ЧПУ выявляется дополнительно следующими специфическими проверками:

- точностью линейного позиционирования рабочих органов;

- величиной зоны нечувствительности, т. е. отставанием в смещении рабочих органов при смене направления движения;

- точностью возврата рабочих органов в исходное положение;

- стабильностью выхода рабочих органов в заданную точку;

- точностью отработки круга в режиме круговой интерполяции;

- стабильностью положения инструментов после автоматической смены.

При проверках выявляют как точность, так и стабильность, т. е. многократную повторяемость прихода рабочих органов в одно и то же положение, причем зачастую стабильность важнее для достижения точности обработки на станках с ЧПУ, чем сама точность.

Исходя из допускаемых отклонений, наибольшая погрешность в отработке перемещения, например, длиной в 300 мм по осям X и Y для станка класса П составит 17,2 мкм, а для станка класса В - 8,6 мкм.

Для сохранения станком точности в течение длительного времени эксплуатации нормы геометрической точности почти на все проверки при изготовлении станка, по сравнению с нормативными, ужесточают на 40 %. Тем самым завод-изготовитель резервирует в новом станке запас на износ.

Геометрические погрешности оборудования полностью или частично переносятся на обрабатываемые детали в виде систематических погрешностей последних.

2.5.3 Износ инструмента

Трение между стружкой и передней поверхностью инструмента и между его главной задней поверхностью и поверхностью резания заготовки вызывает износ режущего инструмента.

В условиях сухого и полусухого трения преобладает абразивное изнашивание инструмента (твердые микрокомпоненты стружки и заготовки скоблят и царапают трущиеся слои инструмента).

Высокие температуры и контактные давления вызывают другие виды изнашивания: окислительное - окисление поверхностных слоев инструмента, а затем быстрое разрушение поверхностных оксидных пленок; адгезионное - вырывания частиц материала инструмента стружкой или материалом заготовки вследствие их молекулярного сцепления; термическое - структурные превращения в материале инструмента при его нагревании.

Затупление вследствие износа инструмента, при котором происходит нарушение точности обработки, называется размерным. Кривая (Рисунок 15) характеризует протекание износа во времени. Различают три участка данного процесса:

- участок I - первоначальный - быстрое возрастание подъема кривой, где интенсивный, зависящий от качества поверхности инструмента, износ;

- участок II - нормальный размерный износ, практически пропорционально возрастает от пути обработки.

- участок III кривой - интенсивный износ инструмента, за которым следует его разрушение, то есть в конце участка нормального износа требуется замена инструмента.

Таким образом, требуемой точности возможно достичь на участке, соответствующем нормальному износу.

Рисунок 15 - Зависимость размерного износа резца от пути резания

Периоды износа:

I - интенсивный;

II - нормальный;

III - разрушение

Общий характер износа режущего инструмента на примере токарного резца представлен на рисунке 16, а. При износе резца на передней поверхности образуется лунка шириной b, а на главной задней поверхности - ленточка шириной h. У инструментов из разных материалов и при разных режимах резания преобладает износ передней или главной задней поверхности. При одновременном износе по этим поверхностям образуется перемычка f.

Рисунок 16 - Износ резца (а) и изменение размеров резца и заготовки в результате износа (б)

Износ резца по главной задней поверхности в процессе обработки изменяет глубину резания, так как уменьшается вылет резца на величину

(Рисунок 16, б). Значение износа резца пропорционально времени обработки, поэтому по мере роста значения и глубина резания t уменьшается. Обработанная поверхность получается конусообразной с наибольшим диаметром и наименьшим D.

Количественное выражение допустимого значения износа называют критерием износа. За критерий износа принимают в большинстве случаев износ инструмента по главной задней поверхности h. Для токарных резцов из быстрорежущей стали допустимый износ h = 1,5 - 2 мм, для резцов с пластинками твердого сплава h = 0,8 - 1 мм; с минералокерамическими пластинками h = 0,5 - 0,8 мм. Допустимому износу инструмента соответствует определенная его стойкость.

Под стойкостью инструмента Т понимают суммарное время (мин) его работы между переточками на определенном режиме резания. Стойкость токарных резцов, режущая часть которых изготовлена из разных инструментальных материалов, составляет 30 - 90 мин. Стойкость инструмента зависит от физико-механических свойств материала инструмента и заготовки, режима резания, геометрии инструмента и условий обработки. Наибольшее влияние на стойкость оказывает скорость резания. Между величинами V и T существует зависимость (9):

, (9)

где С - постоянная величина;

m - показатель относительной стойкости инструмента (для резцов m = 0,1 - 0,3).

Так как величина m мала, то стойкость резцов резко падает даже при незначительном повышении скорости резания. Поэтому обработку следует вести на расчетной скорости, что легко выполнимо на станках с бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя. На станках со ступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя обработку ведут на ближайшей меньшей к расчетной частоте вращения заготовки. В данном случае при небольшом уменьшении скорости резания стойкость инструмента будет больше принятой. Это уменьшит время на смену затупившегося инструмента, но, как правило, не снизит производительность.

Износ инструмента приводит не только к снижению точности размеров и геометрической формы обработанных поверхностей. Работа затупившимся инструментом вызывает рост силы резания. Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и изменяет форму обработанных поверхностей заготовок. Увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания.

При обработке на настроенных станках износ инструмента приводит к рассеянию размеров обработанных поверхностей заготовок, что снижает качество сборки деталей в условиях взаимозаменяемости. Уменьшить влияние износа на точность обработки можно периодической подналадкой станка [13].

В условиях процесса роста автоматизации производства, высоких требований к размерной точности изготовляемых изделий важно предусматривать контроль текущего состояния режущего инструмента. Использование диагностической системы того или иного уровня зависит от требований, предъявляемых к надежности работы станка, точности обработки, экономических показателей [15]: