МЕТОДЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
Что такое точность обработки деталей
Причины возникновения погрешностей при механической обработке
Точностью обработки детали называют степень ее приближения к геометрически правильному прототипу.
Очевидно, что абсолютно точно изготовить деталь практически невозможно, поэтому за меру точности принимают допустимые отклонения размеров; взаимного расположения поверхностей и формы от идеальных.
Показатели точности соответствия реальной детали своему идеальному прототипу, номиналу:
1) точность размеров деталей, т.е. расстояний между двумя точками или линиями на поверхности, определяемая отклонением фактических размеров от номинальных;
2) точность взаимного расположения поверхностей, определяемая техническими требованиями;
3) точность формы поверхностей детали, характеризуемая следующими тремя видами отклонений:
макрогеометрические отклонения, т.е. отклонения реальной формы в пределах габаритных размеров детали;
волнистость, т.е. отклонения в пределах малых участков протяженностью 1...10 мм;
микрогеометрические отклонения (микронеровности, или шероховатость), т.е. отклонения реальной поверхности в пределах очень малых участков с длиной менее 1 мм.
Каждый из показателей точности определяется допуском, и между этими допусками существует следующее соотношение:
δр > δр.п > δмакр > δш
где δр — допуск на размер; δр.п — допуск на расположение поверхностей; δмакр— допуск на отклонения макрогеометрических параметров поверхности; δш — допуск на шероховатость.
Допуски на все показатели точности детали и машины обычно подразделяются на две части:
1) допуск на изготовление детали машины Smax
2) допуск на износ детали машины во время ее эксплуатации Sэкспл
Величина допуска Sэкспл на износ, например, пары трения оценивается по формуле
Sэкспл = Спред - Smax = Спред - (δо + δв + Smin)
где Спред — предельный (максимально допустимый) зазор в данном стыке; Smin — минимально допустимый зазор; δо,δв — допуски на изготовление соответственно отверстия и вала.
Долговечность работы стыка деталей
Дст = Sэкспл / (Gо + Gв)
где Gо и Gв — скорости изнашивания соответственно детали с отверстием и вала.
Как следует из этих формул, основными направлениями повышения долговечности являются:
увеличение значения Sэкспл за счет уменьшенияδо и δв;
уменьшение Gо и Gв , например, за счет применения более износостойкого покрытия или упрочнения поверхностей.
Теперь рассмотрим причины возникновения погрешностей при механической обработке, влияющих на точностные параметры деталей.
1. Неточность геометрических параметров станка и износ его узлов (Δг).
Если исходное биение шпинделя токарного станка 5 мкм, а износ подшипников достиг 10 мкм, то из-за возможного перехода от жидкостного трения в подшипнике к сухому погрешность может возрасти до 15 мкм.
Следует учитывать, что передняя направляющая токарного станка изнашивается примерно в 5 раз больше, чем задняя.
Годовой износ передней направляющей при двухсменной работе составляет 0,04...0,05 мм в единичном и 0,1...0,12 мм — в массовом производстве.
2. Неточность изготовления инструмента (Δизг).
Наличие погрешности в изготовлении, например, резьбового или модульного инструмента, развертки или протяжки непосредственно отразится на точности деталей.
3. Износ инструмента (Δи).
Во всех случаях процесс изнашивания протекает в три этапа.
Первый характеризуется повышенным износом, второй — нормальным и третий — быстрым (ускоренным или катастрофическим) износом с последующим возможным разрушением инструмента.
Для определения величины износа Ux инструмента после обработки х деталей, непосредственно влияющего на погрешность при точении, используется уравнение, основанное на зависимости износа от пути резания:
Ux = Uи + Uотн = Uи + (U2 / L2) ∙ lx
где — Uи износ на начальном этапе; Uотн и U2 — относительный износ после обработки х деталей и по завершении второго этапа; lx — путь, пройденный инструментом за время обработки х деталей; L2 — путь, пройденный инструментом за время 2 этапа.
Пути уменьшения Δи:
периодическая подналадка станка;
принудительная смена инструмента и непрерывная правка шлифовальных кругов;
применение более износостойкого инструмента и т. п.
4. Нежёсткость упругой системы ДИСП (деталь-инструмент-станок-приспособление) (Δупр).
Эта причина вызывает такие погрешности формы, как бочкообразность и конусность.
Жесткость J, Н/мм, системы ДИСП равна отношению силы резания Ру к величине деформации у в точке приложения этой силы:
J = Ру / у
податливость W, мкм/Н, системы ДИСП — это величина, обратная J
W = 103 /J
В свою очередь, погрешность, мкм, возникающая вследствие упругости системы ДИСП, равна
Δупр = 2 • 10-3 у = 2РуW.
Для примера приведем некоторые данные о жесткости, кН/мм, токарных станков с высотой центров 300 мм:
у передней бабки J= 150,
у задней бабки — 75,
у суппорта — 200.
У старых, изношенных станков значение J в 2 — 3 раза меньше, чем у новых.
Пути снижения погрешности Δупр : поджим детали задним центром, применение подвижных и неподвижных люнетов.
5. Погрешность настройки станка (Δн).
Эта погрешность возникает, например, при настройке на размер по лимбу ручки подачи и составляет 30...50% цены деления на лимбе, а также при смещении оси заднего центра относительно оси шпинделя в вертикальной или горизонтальной плоскости.
6. Температурный фактор (Δт).
Рассмотрим три причины возникновения погрешности вследствие температурной деформации отдельных составляющих при работе системы ДИСП.
Нагрев инструмента рассмотрим на примере когда вылет резца l = 50 мм, средняя температура нагрева этой части Δtср = 80°С (353 К), а коэффициент линейного рас- ширения материала резца α = 1,2 • 10-5 К-1.
После подстановки этих данных в формулу Δl = α • l • Δtср получим величину Δl = 0,05 мм и погрешность размера детали 0,1 мм
Нагрев детали происходит в зоне контакта с инструментом.
Поскольку 3...10% теплоты при резании переходят непосредственно в поверхностный слой детали, последний расширяется и удаляется в виде стружки, что приводит к соответствующему уменьшению диаметра после охлаждения детали.
На начальном участке обработки (Н), когда деталь не нагрелась, имеем наибольший диаметр, в средней части (С) повышение температуры и съем металла равномерные, а в конце резания (К) сток тепла через торец детали резко снижается, что приводит к расширению металла, поэтому диаметр этого участка детали оказывается наименьшим.
Неравномерный нагрев отдельных узлов станка связан с влиянием различных факторов, например постоянного теплового потока, возникающего в результате металлообработки, или внешнего источника теплоты (батарея, солнечные лучи и т.п.).
Пути снижения влияния этих факторов: интенсивное охлаждение зоны резания, инструмента и приспособления; своевременная смазка трущихся частей станка; достаточное удаление станка от внешних и внутренних тепловых источников.
7. Неравномерность распределения остаточных напряжений (Δо.н)
При неравномерном охлаждении нагретой детали в ней возникают внутренние остаточные напряжения первого рода, которые приводят к её деформации.
Далее, при последующей механической обработке, когда снимаются слои металла с остаточными напряжениями разного знака, деталь будет деформироваться вследствие перераспределения этих напряжений.
Для устранения данной погрешности необходима высококачественная термообработка или термообработка детали, закрепленной в стапеле.
8. Погрешность установа детали (εу).
Эта погрешность включает в себя три составляющие: погрешность базирования (ε) и закрепления (εз) детали, а также погрешность приспособления (εпр), связанную в основном с базированием.
Теперь, учитывая все возможные причины, способные вызвать погрешность, составим общее выражение для расчетно-аналитической оценки погрешности при изготовлении деталей:
Δобщ =√ Δг2 + Δизг2 + Δи2 + Δупр2 + Δн2 + Δт2 + Δо.н2 + εу2
На практике расчетно-аналитический метод оценки точности обработки деталей используется в основном в серийном и массовом производстве. В авторемонтных организациях (АРО) применяется, как правило, опытно-статистический метод.
