2 Точность в машиностроении
Точность большинства приборов, металлорежущих станков, вычислительных машин, управляющих устройств и многих других изделий машиностроения является важнейшей характеристикой их качества.
Повышение точности изготовления деталей и сборки узлов увеличивает долговечность и надежность механизмов и машин. Этим объясняется непрерывное ужесточение требований к точности изготовления деталей машин в целом. Если недавно в машиностроении считались точными детали, изготовленные в пределах допусков в несколько сотых долей миллиметра, то в настоящее время для многих точных изделий требуются детали с допусками в несколько микрометров или даже десятых долей микрометра.
Важное значение имеет повышение точности и для процесса производства изделий. Повышение точности исходных заготовок снижает трудоемкость механической обработки, уменьшает размеры припусков на обработку деталей и приводит к экономии металла. Повышение точности мех. обработки устраняет пригоночные работы на сборке, позволяет осуществить принцип взаимозаменяемости деталей и узлов и ввести поточную сборку, что не только сокращает трудоемкость сборки, но также облегчает и удешевляет проведение ремонта машин в условиях их эксплуатации.
Под точностью детали понимается ее соответствие требованиям чертежа: по размерам, геометрической форме, правильности взаимного расположения обрабатываемых поверхностей и по степени их шероховатости.
Заданную точность обработки заготовки можно достигнуть одним из двух принципиально отличных методов: методом пробных проходов и промеров и методом автоматического получения размеров на настроенных станках.
Сущность метода пробных проходов и промеров заключается в том, что к обрабатываемой поверхности заготовки, установленной на станке, подводят режущий инструмент и с короткого участка заготовки снимают пробную стружку.
После этого станок останавливают, делают пробный замер полученного размера, определяют величину его отклонения от чертежного и вносят поправку в положение инструмента, которую отсчитывают по делениям лимба станка. Затем вновь производят пробную обработку участка заготовки, новый пробный замер полученного размера и при необходимости вносят новую поправку в положение инструмента. Так путем пробных проходов и промеров устанавливают правильное положение инструмента относительно заготовки, при котором обеспечивается требуемый размер. После этого выполняют обработку заготовки по всей ее длине. При обработке следующей заготовки всю процедуру установки инструмента пробными проходами и промерами повторяют.
Метод автоматического получения размеров на настроенных станках в значительной степени свободен от недостатков, свойственных методу пробных проходов и промеров.
При обработке заготовок по методу автоматического получения размеров станок предварительно настраивается таким образом, чтобы требуемая от заготовок точность достигалась автоматически. Почти независимо от квалификации и внимания рабочего.
К преимуществам метода автоматического получения размеров относятся:
- повышение точности обработки и снижение брака;
- рост производительности обработки за счет устранения потерь времени на предварительную разметку заготовки и осуществление пробных проходов и промеров;
- рациональное использование рабочих высокой квалификации.
- повышение экономичности производства.
Каждый из рассмотренных методов достижения заданной точности неизбежно сопровождается погрешностями обработки. Многообразные причины, вызывающие появление погрешностей при обработке заготовок, делятся на два основных вида: причины систематического и случайного характера. Соответственно погрешности, возникающие вследствие этих причин, подразделяют на случайные и систематические.
2.1 Систематические погрешности обработки
Систематическая погрешность– это такая погрешность, которая для всех заготовок рассматриваемой партии остается постоянной или же закономерно изменяется при переходе от каждой обрабатываемой заготовки к следующей.
Причинами возникновения систематических и переменных систематических погрешностей обработки деталей являются неточность, износ и деформация станков, приспособлений и инструментов, деформация обрабатываемых заготовок, тепловые явления, происходящие в технологической системе, а также погрешности теоретической схемы обработки детали.
2.1.1 Погрешности, возникающие вследствие неточности, износа и деформации станков. Погрешности изготовления и сборки станков ограничиваются нормами ГОСТа, определяющими допуски и методы проверки геометрической точности станков (точности станков в ненагруженном состоянии). Существуют следующие классы точности станков: Н (нормальный), П (повышенный), В (высокий), А (особо высокий), С (станки особой точности – для изготовления эталонных деталей).
Погрешности геометрической точности станков полностью или частично переносятся на обрабатываемые заготовки в виде систематических погрешностей. Их величина поддается предварительному анализу и расчету. Например, при непараллельности оси шпинделя токарного станка направлению движения суппорта в горизонтальной плоскости цилиндрическая поверхность обрабатываемой заготовки, закрепленной в патроне станка, превращается в коническую.
Биение шпинделей токарных и кругло-шлифовальных станков, вызываемое овальностью подшипников и опорных шеек шпинделей, искажает форму обрабатываемой заготовки в поперечном сечении. Овальность шеек шпинделей в этом случае переносится на заготовку, так как при ее обработке шейки шпинделей все время прижимаются к определенным участкам поверхностей подшипников.
Износ станков обусловливает увеличение систематических погрешностей обрабатываемых заготовок. Это связано в первую очередь с тем, что износ рабочих поверхностей станков происходит неравномерно, что приводит к изменению взаимного расположения отдельных узлов станка, вызывающему возникновение дополнительных погрешностей обрабатываемых заготовок.
Одной из важных причин потери точности станков является износ их направляющих. Неравномерный износ передней и задней направляющих вызывает наклон суппорта и смещение y вершины резца в горизонтальной плоскости, непосредственно увеличивающее радиус обрабатываемой поверхности . Неравномерность износа направляющих, а следовательно, и неравномерность смещения y по длине направляющих приводит к появлению систематической погрешности формы обрабатываемых заготовок.
2.1.2 Погрешности, связанные с неточностью и износом режущего инструмента. Неточность режущего инструмента (особенно мерного типа разверток, зенкеров, протяжек, концевых и пазовых фрез и фасонного инструмента) во многих случаях непосредственно переносится на обрабатываемые заготовки, обуславливая появление систематических погрешностей формы и размеров обрабатываемых поверхностей. Значительно большее влияние на точность обработки заготовок оказывают погрешности режущего инструмента, связанные с его износом.
В соответствии с общими закономерностями износа при трении скольжения в начальный период работы инструмента, называемый периодом начального износа, износ наиболее интенсивен. В период начального износа происходит приработка режущего лезвия инструмента. В этот период шероховатость обработанной поверхности обычно уменьшается. Начальный износ и его продолжительность (продолжительность приработки инструмента) зависят от материалов режущего инструмента и изделия, качества заточки и доводки инструмента и режимов резания. Обычно продолжительность начального износа, выраженная длиной пути резания, находится в пределах 500-2000 м.
Второй период износа характеризуется нормальным износом инструмента, прямо пропорциональным пути резания.
Длина пути резания в период нормального износа при обработке стали резцами из Т15К6 может достигать 50 км.
Третий период износа соответствует наиболее интенсивному катастрофическому износу, сопровождающемуся значительным выкрашиванием и поломками инструмента, недопустимыми при его нормальной эксплуатации.
2.1.3 Погрешности, вызываемые упругими деформациями технологической системы под влиянием усилий резания. Технологическая система (ТС) станок - приспособление – инструмент – заготовка представляет собой упругую систему, деформация которой в процессе обработки обуславливают погрешности размеров и геометрической формы обрабатываемых заготовок.
При обработке в центрах на токарном станке гадкого вала в начальный момент, когда резец находится у правого конца вала, вся нормальная составляющая усилия резания Py передается через заготовку на задний центр, пиноль и заднюю бабку станка, вызывая упругие деформации названных элементов (изгиб заднего центра и пиноли, отжатие yз.б. корпуса задней бабки) в направлении «от рабочего». Это приводит к увеличению расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки на величину yз.б. и к соответствующему возрастанию радиуса обработанной заготовки.
Одновременно с этим под действием Py происходит упругое отжатие yинстр резца и суппорта в направлении «на рабочего», что, в свою очередь, влечет за собой увеличение расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки, а следовательно, и радиуса обработанного изделия.
Таким образом, в начальный момент диаметр обработанной поверхности фактически оказывается больше установленного при настройке на величину D = 2(yз.б. + yинстр).
При дальнейшей обточке и перемещении резца от задней бабки к передней отжатие задней бабки уменьшается, но возникает отжатие передней бабки yп.б.и обрабатываемой заготовки yзаг , также увеличивающее фактический диаметр обработки.
В некотором сечении А-А фактический диаметр обтачиваемой заготовки оказывается равным dфакт = dнастр + 2(yз.б. + yп.б. + yинстр + yзаг).
В связи с тем, что упругие отжатия элементов станка (кроме отжатия суппорта и инструмента) изменяются по длине обработки заготовки, ее диаметр, а, следовательно, и форма оказываются переменными по длине. Погрешности размера и формы заготовки в данном случае равняются сумме упругих отжатий в ТС.
Упругие отжатия y определяются действующими в направлении этих отжатий усилиями и жесткостью ТС.
Под жесткостью j ТС подразумевают способность этой системы оказывать сопротивление действию деформирующих ее сил.
Для вычисления погрешностей обработки, связанных с упругими отжатиями ТС, жесткость этой системы j выражается отношением нормальной составляющей усилия резания Py к суммарному смещению y лезвия режущего инструмента относительно обрабатываемой поверхности заготовки, измеренному в направлении нормали к этой поверхности, т.е.
,
где y = yст + yприсп + yинстр + yзаг.