Компенсация систематической погрешности при механической обработке

Методы активного контроля состояния режущего инструмента делятся на прямые и косвенные (Рисунок 17).

1. Прямые методы измерения предусматривают непосредственное измерение параметров износа, при этом контролируется износ (по лунке, образующейся на передней поверхности), расстояние от режущей кромки до центра лунки, глубина лунки, ширина ленточки износа по задней поверхности, уменьшение объема или массы инструмента, размерный износ режущей кромки, разброс размеров деталей в партии и т.д.

Рисунок 17 - Методы измерения износа режущего инструмента

Указанные параметры могут быть определены радиоактивными, оптико-телевизионными, лазерными, электромеханическими, ультразвуковыми или пневматическими методами.

2. Косвенные методы измерения износа режущего инструмента

В связи со сложностями использования в производственных условиях прямых методов определения состояния режущего инструмента, в нашей стране и за рубежом проводились и проводятся многочисленные работы, направленные на использование возможности оценки состояния инструмента по измерению различных параметров процессов, сопровождающих резание. При использовании косвенных методов датчиками принимаются сигналы, поступающие от определенных участков инструмента, машины, заготовки и содержащие информацию о размерах и скорости износа инструмента.

Изготовленный из правильно подобранного инструментального материала режущий инструмент может иметь высокую или низкую стойкость, так как высокие режущие свойства инструмента обеспечивает не только материал, а также оптимальная геометрия и правильно проведенная технология обработки инструмента (термическая обработка, шлифование, заточка и т.д.), но и условия эксплуатации инструмента. После правильно проведенной термической обработки режущая кромка инструмента приобретает необходимую, характерную для данного инструментального материала твердость и износостойкость.

Инструментальные материалы подразделяют на стали, твердые сплавы, алмазы и кубический нитрид бора.

В настоящее время известно достаточно много методов повышения режущей способности путем изменения физико-механических свойств

поверхностных и подповерхностных слоев материала инструмента. По технологии - производства их можно объединить в следующие группы [9]:

- нанесение износостойких покрытий;

- нанесение антифрикционных покрытий;

- гальванические методы;

- химические методы;

- химико-термические методы;

- физические методы;

- физико-термические методы;

- механические методы;

- термомеханические методы;

- доводка и заточка;

- метод электроискрового упрочнения и наращивания инструмента

Все они достаточно широко применяются в промышленности, особенно нанесение износостойких покрытий, химико-термические и механические методы. Повышение режущей способности инструментов возможно несколькими методами одновременно или последовательно для получения наибольшего эффекта.

2.6 Систематическая погрешность теоретической схемы обработки

Кинематическими называют погрешности, возникающие при замене точной схемы обработки приближенной схемой. Например, при фрезеровании резьбы дисковой фрезой (Рисунок 18) ось ее устанавливается под углом наклона винтовой линии, относительно оси изделия схема обработки получается точной. Но при фрезеровании резьбы групповой фрезой используется приближенная схема: ось фрезы устанавливается параллельно оси изделия, вследствие чего возникает погрешность профиля резьбы, которая по своему характеру является кинематической. Фрезерование групповой фрезой применяется для получения коротких резьб с мелким шагом (Рисунок 19, a - фрезерование наружной резьбы, б - фрезерование внутренней резьбы). Групповая фреза (называется иногда гребенчатой) представляет собой как бы группу дисковых фрез, собранных на одну оправку. Длина фрезы обычно принимается на 2--5 мм больше длины фрезеруемой резьбы. Групповая фреза устанавливается параллельно оси детали, а не под углом, как дисковая [19].

Рисунок 18 - Нарезание резьбы дисковой фрезой, профиль фрезы соответствует профилю резьбы; ось фрезы располагается по отношению к оси детали под углом, равным углу наклона резьбы

Рисунок 19 - Фрезерование групповой фрезой: a - фрезерование наружной резьбы; б - фрезерование внутренней резьбы

При обработке некоторых сложных профилей фасонных изделий сама схема обработки предполагает определённые допущения и приближённые решения кинематических задач упрощения конструкции режущих инструментов, вызывающие появление систематических погрешностей обработки (обычно систематических погрешностей формы).

Например, при нарезании зубчатых колес червячным фрезами теоретическая схема операции (качение нарезаемого зубчатого колеса по прямолинейной рейке осевого сечения червячной фрезы) заведомо нарушается наклоном канавки, образующей режущие лезвия фрезы, что ведёт к появлению систематической погрешности эвольвентного профиля зуба. Аналогично возникают погрешности эвольвенты зуба в процессе его строгания долбяками в связи с нарушением правильного профиля последних при образовании переднего угла при заточке.

При нарезании зуба модульными фрезами систематическую погрешность профиля зуба вызывает несоответствие количества нарезаемых зубьев расчётному числу, для которого спроектирована фреза.

При фрезеровании и нарезании резьбы вращающимися резцами (вихревое нарезание) (Рисунок 20) кинематическая схема операции предопределяет искажения окружности резьбы, заменяя дуговые участки этой окружности хордами, длина которых зависит от соотношения скоростей вращения заготовки и резьбового резца [26].

Рисунок 20 - Схема вихревого нарезания резьбы

2.7 Образование погрешностей изготовления изделия на технологическом переходе

2.7.1 Статическая и динамическая настройки технологической системы

Погрешность обработки - это результат нарушения заданного закона относительного движения технологических баз заготовки и рабочих поверхностей инструмента в процессе статической и динамической настройки технологической системы.

Задача статической настройки технологической системы - достижение заданного относительного положения и траектории движения рабочих поверхностей технологической системы без рабочих нагрузок.

Задача динамической настройки технологической системы - достижение заданного относительного положения и траектории движения рабочих поверхностей технологической системы при рабочих нагрузках.

Отсюда суммарная геометрическая погрешность изготовления детали или сборочной единицы:

где - погрешность установки;

- погрешность статической настройки технологической системы;

- погрешность динамической настройки кинематической системы.

Установка - это базирование и закрепление сменных элементов (приспособления, инструмента, заготовки или детали при сборке изделия) технологической системы с требуемой точностью.

Статическая настройка - настройка размерных и кинематических цепей на заданный закон относительного движения рабочих поверхностей технологической системы с заданной точностью при отсутствии рабочих нагрузок.

На точность статической настройки оказывают влияние, главным образом, собственные геометрические погрешности технологической системы и погрешности установки сменных элементов.

Аналитически описать нарушение закона относительного движения заготовки и инструмента, и, таким образом, погрешность обработки можно через отклонения величины замыкающего звена размерной цепи технологической системы, которым является расстояние между технологическими базами заготовки и рабочими поверхностями (например, режущие кромки резца) обрабатывающего инструмента. Соответствующие базы станка выступают в роли координатных систем, относительно которых заготовка и инструмент должны занять требуемое положение. Ими являются комплекты вспомогательных баз станка в виде плоских или круговых направляющих. Например, у вертикально-фрезерного станка базами для установки фрезы на станке являются отверстия в стойке, в которых вращается шпиндель. А для установки заготовки базами станка являются горизонтальные и вертикальные поверхности направляющих станины, по которым стол совершает возвратно-поступательные движения.

После того, как заготовка и инструмент правильно координированы на станке, их положения должны быть зафиксированы и сохранены в течение всего времени выполнения операции. Для этого и заготовку, и инструмент закрепляют тем или иным способом. В результате базирования и закрепления заготовка и инструмент будут координированы относительно баз станка с некоторой погрешностью, которую называют погрешностью установки.

Следующий шаг - статическая настройка, обеспечивающая соблюдение закона относительного движения и положения технологических баз заготовки и рабочих поверхностей инструмента. Это достигается путем настройки размерных и кинематических цепей технологической системы, в которые включаются своими размерами заготовка и инструмент.

С помощью настройки размерных цепей определяется начальное положение рабочих поверхностей и инструмента относительно технологических баз заготовки. На рисунках 21, 22, 23 изображены установка и статическая настройка заготовки для концевого фрезерования с целью получения нежесткой детали (вертикально-фрезерный станок с ЧПУ X3K).

а)

б)

Рисунок 21 - Вычисление коррекции концевой фрезы (по оси Z - величина вылета инструмента ): а - окно значения коррекции; б - коррекция по методу касания инструмента размерной плитки

Рисунок 22 - Измерение смещения нулевой точки (по координате X)

Рисунок 23 - Установленная заготовка

С помощью настройки кинематических цепей обеспечиваются заданная траектория и скорости движения инструмента относительно технологических баз заготовки.

Следующий шаг - динамическая настройка размерных и кинематических цепей технологической системы. Задача этой настройки - сведение к минимуму отклонений фактического относительного движения инструмента и заготовки от заданного, возникающих в процессе обработки под воздействием сил резания, трения, тепла, стружки и т.д.

Погрешности установки, статической и динамической настроек являются суммой систематических и случайных погрешностей, возникающих под воздействии большого количества факторов

2.7.2 Основные причины погрешности установки заготовки и инструмента

Основными причинами погрешности установки заготовки и инструмента являются:

- погрешности технологических баз, исполнительных поверхностей станка, приспособления или рабочего стола, - используемые для определения положения заготовки и инструмента;

- нарушение правила шести точек при определении положения заготовки и инструмента;

- неправильное приложение силового замыкания (создание недостаточной величины силы зажима, неправильный выбор точек применения сил зажима и последовательности приложения);

- неправильный выбор измерительных баз, метода и средств измерения, неорганизованная смена баз в процессе закрепления заготовки и инструмента;

- недостаточная квалификация рабочего и ряд других причин.

Основными причинами образования погрешности статической настройки размерных и кинематических цепей технологической системы являются:

- неправильный выбор измерительных баз и метода измерения; неправильный выбор метода и средств статической настройки размерных и кинематических цепей;

- геометрическая погрешность оборудования, приспособлений и режущего инструмента (погрешности изготовления; состояние и т.д.);

- недостаточная квалификация и ошибки, допущенные рабочим или наладчиком, производящим статическую настройку, и ряд других причин.

Основными причинами, порождающими погрешность динамической настройки размерных и кинематических цепей технологической системы, являются:

- неоднородность материала заготовки; колебания припусков на обработку;

- недостаточная жесткость технологической системы по координате перемещения режущего инструмента и заготовки;

- изменение направления и величины сил, действующих в процессе обработки;

- качество и состояние режущего инструмента; состояние оборудования и приспособлений;

- температура обрабатываемой заготовки, оборудования, приспособлений, обрабатывающего и измерительного инструмента и среды, и особенно ее колебания;

- свойства, способ применения и количество СОЖ;

- неправильный выбор методов и средств измерения погрешности динамической настройки;

- вибрация технологической системы;

- недостаточная квалификация и ошибки рабочего или наладчика и ряд других причин.

Таким образом, погрешность обработки заготовки равна:

а) алгебраической сумме погрешностей установки, статической и динамической настройки (при изготовлении одной заготовки обработки) (11):

, (11)

где - погрешность установки;

- погрешность статистической настройки;

- погрешность динамической настройки.

б) сумме абсолютных значений полей рассеяния погрешностей установки, статической и динамической настройки (при изготовлении партии заготовок):

, (12)

3. Программные методы компенсации погрешностей

Одной из основных задач, которую может решить система ЧПУ, является задача компенсации систематической составляющей погрешностей механической системы станка [25]. Авторами предложен метод компенсации систематических погрешностей, возникающих в приводах подачи. Компенсация накопленной погрешности шага ходового винта, зазоров в приводе подачи, тепловых деформаций производится по определенным алгоритмам коррекции, которые отрабатываются системой ЧПУ. Таким образом, достигается существенное повышение точности станка. Для работы алгоритмов коррекции сначала производится ряд измерений погрешностей перемещения осей станка (например, при помощи лазерного интерферометра), далее по полученным данным производится заполнение внутренних таблиц системы ЧПУ, впоследствии эти данные используются алгоритмами коррекции для компенсации погрешностей.

Компанией Delcam plc предложена адаптивная обработка как интеграция механообработки и контроля точности изготовления изделий [8]. Вместо простого последовательного перехода по цепочке от CAD- и CAM-систем к механической обработке и контролю точности компания Delcam предлагает использовать более сложный ряд шагов, в которых результате на различных стадиях механообработки могут быть получены промежуточные данные, которые с успехом можно применять в различных процессах механообработки. Эти новые процессы могут быть объединены в группу под общим названием «адаптивная механическая обработка».

Большинство типичных случаев применения методов адаптивной механической обработки связано с незнанием точного положения заготовки на станке. Такие проблемы базирования, как правило, возникают с относительно крупногабаритными изделиями, например элементами ракетоносителей, пресс-формами для приборных панелей автомобилей, оснасткой для панелей кузова автомобиля и т.п. Для таких изделий достижение правильного положения припуска на станке - основная задача, которая требует длительных проверок и регулирования (базирования). Зачастую бывает проще приспособить траекторию инструмента под конкретный технологический установ, нежели правильно сориентировать положение заготовки, чтобы обеспечить необходимый технологический припуск. Какое-то время этот принцип уже использовался компанией Delcam при механообработке отдельных геометрических элементов. Теперь адекватное решение доступно для изготовления сложных форм и поверхностей и позволяет добиться тех же преимуществ: снижения затрат немашинного времени на установку изделия в станке, повышения точности, а также снижения количества брака (Рисунок 24).

Рисунок 24 - Виртуальное базирование позволяет вычислить различие между теоретическим положением компонента и его фактическим положением на станке

В концепции On-Machine Verification (OMV) применяется проверка точности изготовления непосредственно на станке при помощи аппаратных средств самого станка. Это позволяет выполнять промежуточные контрольные измерения без снятия детали с зажимного технологического приспособления. Главное преимущество заключается в том, что любые ошибки могут быть обнаружены там же, где они будут исправлены, - прямо на станке. Тем самым можно избежать повторных установов детали и контроля точности базирования заготовки, а значит, сэкономить много времени. Следующая возможность от компаниии Delcam plc - обработка поверхностей, близких по форме к заданным когда точная начальная форма изделия неизвестна, являются следствием процесса обработки по принципу «приблизительно такой же», например литье и ковка или неточные методы восстановления, такие как сварка. Главное требование в этих случаях - равномерное распределение припуска материала вокруг желаемой формы, чтобы избежать как чрезмерной, так и недостаточной обработки. Другие преимущества заключаются в возможности получения гладкого перехода между обработанными и необработанными поверхностями, а также улучшенного контроля над подачей инструмента в момент врезания и выхода из материала.

Самые впечатляющие операции адаптивной механической обработки от компанией Delcam plc возможны в тех случаях, когда требуемая форма компонента точно неизвестна. Обычно это необходимо при выполнении ремонта (восстановления) деталей, которые были изменены от их номинальной CAD-формы в процессе эксплуатации, -- например турбинных лопаток, работающих на турбореактивных двигателях. В процессе эксплуатации из-за экстремальных перепадов температур и высоких нагрузок происходит их постепенная деформация. Для определения степени отклонения изделия от номинальных CAD-данных сначала измеряют фактические поверхности. Чтобы облегчить воссоздание фактической геометрии изделия, за основу может быть взята исходная теоретическая CAD-модель и средствами морфинга моделировщика PowerSHAPE теоретические обводы могут быть подогнаны к фактическим. После этого можно использовать PowerMILL для генерации управляющих программ с целью обработки необходимых элементов.

Анализ научной литературы показал, в качестве программных методов компенсации погрешностей механической обработки широко изучаются и используются:

- математическое моделирование погрешностей механической обработки;

- алгоритм оптимизационного поиска, основанный на методе сжимающегося допуска; на базе алгоритма и математической модели процесса резания создана методика расчета режимов обработки, которая положена в основу системы расчета режимов резания, обеспечивающих заданные показатели точности обработки и качества поверхностного слоя обрабатываемых деталей [3];

- привода подачи с самообучением, при котором ошибки формы, наблюдаемые при обработке предыдущей детали, учитываются при формировании программы управления движением резца для обработки последующих деталей [17];- методика компенсации погрешностей изготовления, основанные на встраивании в технологический процесс механической обработки координатных измерений геометрии детали [20];

- изменение 3D-модели поверхности детали таким образом, что возникающие отклонения в ходе обработки могут быть компенсированы при создании траектории движения инструмента в CAM-системе;

- изменение непосредственно управляющей программы, задающей траекторию движения инструмента, на базе использования адаптивных систем управления [7]

Выводы

1. Наличие большого разнообразия действующих факторов, условий изготовления, порождающих геометрические погрешности изделия, затрудняет изучение причинно-следственных связей механизма их образования.

2. Технологические факторы вызывают изменение закона относительного движения заготовки и обрабатывающего инструмента, что и нарушает геометрическую точность обрабатываемой заготовки.

3. В силу огромного разнообразия конструкций технологической системы, схем базирования, условий обработки и др., и, соответственно, множества вариантов механизма образования геометрических погрешностей, важен методический подход к установлению механизма образования погрешностей обработки.

4. Существуют и развиваются программные методы компенсации систематических погрешностей механической обработки на металлорежущем оборудовании с ЧПУ.

Список литературы

1. Базров, Б.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов. М.: Машиностроение, 2005. - 736 с.: ил.

2. Балакшин, Б.С. Теория и практика технологии машиностроения: В 2-х кн. - М.: Машиностроение, 1982 - кн. 2. Основы технологии машиностроения. 1982. 367 с., ил.

3. Безъязычный, В.Ф. Расчет режимов резания, обеспечивающих комплекс требуемых параметров обработки и качества поверхностного слоя / В.Ф. Безъязычный, Э. В. Киселев // Металлообработка. - 2016. - №6 (96). - С. 9-17.

4. Васильков, Д.В. Методические аспекты расчета упругого последействия деформирующей способности технологических остаточных напряжений при механической обработке / Д.В. Васильков, Т.Б. Кочина, А.В. Никитин // Металлообработка. - 2016. - №6. - С. 18-21.

5. Гаврилин, А.Н. Диагностика технологических систем: учебное пособие. Часть 1 / А.Н. Гаврилин, Б.Б. Мойзес; Томский политехнический университет. - Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 120 с.

6. Гаврилин, А.Н. Диагностика технологических систем: учебное пособие. Часть 2 / А.Н. Гаврилин, Б.Б. Мойзес; Томский политехнический университет. - Томск: изд-во Томского политехнического университета, 2014. - 128 с.

7. Додонов, В. В. Повышение точности обработки на станках с числовым программным управлением // Инженерный журнал: наука и инновации. - 2016. - №6 - С. 5-10.

8. Евченко, К. Адаптивная обработка от компании Delcam plc как интеграция механообработки и контроля точности изготовления изделий // САПР и Графика. - М.: ООО «КомпьютерПресс», 2008. - Выпуск 1. - С. 17-20.

9. Есенжол, А.М. Повышение износостойкости металлорежущих инструментов / А.М. Есенжол, А.А. Куровский, И.И. Малахов // Техника и технологии машиностроения: материалы VI Международной конференции (20-21 апреля 2017 г., Омск). - Омск: Омский государственный технический университет, 2017. - С. 73-77.

10. Кувшинский, В.В. Фрезерование. - М.: «Машиностроение», 1977. - 240 с.: ил.

11. Кугультинов, С.Д., Ковальчук А.К., Портнов И.И. Технология обработки конструкционных материалов: Учебник для вузов / С.Д. Кугультинов, А.К. Ковальчук, И.И. Портнов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 672 с.: ил.

12. Королев, А.В. Технологические причины возникновения остаточных напряжений / А.В. Королев, А.А. Мазина, А.С. Яковишин, А.В. Шалунов // Современные материалы, техника и технологии. - 2016. - №5. - С. 116-120.

13. Курс лекций по дисциплине «Физико-химические процессы при обработке металлов резанием»: учебное пособие для студентов механических специальностей вузов / Б.И. Калмин, М.С. Корытов. - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - 108 с.

14. Маталин, А.А. Технология машиностроения: Учебник для машиностроительных вузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. - 496 с., ил.

15. Методы диагностики состояния режущего инструмента [Электронный ресурс] // "Технология". 2015.

16. Можин, Н.А. Основы теории резания материалов: учебное пособие / Н.А. Можин, В.А. Аврелькин, Е. А. Федулов. - Иваново: ИВГПУ, 2018. - 84 с.

17. Никольский, А.А. Точные самообучающиеся электроприводы станков некруглого точения. - М.: Адвансед солюшнз, 2016. - 220 с.

18. Осетров, В.Г. Сборка в машиностроении, в приборостроении. Теория, технология и организация: монография / Осетров В.Г., Слащев Е.С. - Ижевск: Ижевский институт комплексного приборостроения, 2015. - 328с.

19. Основы повышения точности при изготовлении деталей ДЛА: учеб. пособие / Г.В. Смирнов и др.; под ред. проф. Г.В. Смирнова. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. - 132 с.

20. Основы повышения точности при изготовлении деталей ДЛА : учеб. пособие / Г.В. Смирнов и др.; под ред. проф. Г.В. Смирнова. - Самара: Изд-во Самарского университета, 2018. - 132 с.

21. Остаточные напряжения в заготовке после обработки [Электронный ресурс] // Технологии обработки металлов. 2015-2020

22. Печенин, В.А. Методика компенсации погрешностей механической обработки сложнопрофильных деталей // Вестник Самарского университета. Аэрокосмическая техника, технологии и машиностроение. -2016. - Т. 15, №4. - С. 252-264.

23. Печёнкин, И.А., Бажин, А.Г., Пузанов, Ю.В. Разработка технологии изготовления деталей, обеспечивающей требуемое качество их сопряжения в сборочной единице на базе продуктов Delcam с автоматизацией этапов подготовки управляющих программ [Текст]: конкурсная работа на соискание именной премии Delcam pls. - Ижевск, 2012. 20с.

24. Пути управления тепловыми явлениями при резании [Электронный ресурс] // Портал студенческих и научных материалов Ozlib.com. 2017-2020

25. Пушков, Р.Л. Проблемы компенсации погрешностей перемещений в современных системах ЧПУ / Р.Л. Пушков, С.В. Евстафиева, Е.В. Саламатин // сборник трудов XII Всероссийского совещание по проблемам управления ВСПУ-2014 (16-19 июня 2014 г., Москва).- М.: ИПУ РАН, 2014. - С. 4645-4655.

26. Технология приборостроения: учеб. пособие / Валетов В.А., Кузьмин Ю.П., Орлова А.А., Третьяков С.Д. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2008. - 336 с

Размещено на allbest.ru