Методы определения жесткости технологической системы

Для нахождения величины упругих перемещений в технологической системе необходимо знать значения жесткости ее элементов. Многообразие факторов, влияющих на жесткость технологической системы, не позволяют установить ее расчетным путем, поэтому жесткость определяют эмпирическими методами.

Жесткость станка или отдельного узла может быть определена путем нагружения статическими силами, аналогичными тем силам, которые будут действовать в процессе работы. Создаваемые нагрузки увеличивают от нуля до максимума, измеряют перемещение узлов станка и строят зависимость упругих перемещений от силы. Схема определения жесткости узла шпинделя станка показана на рис. 9, а.

Рис.9. Статическое нагружение шпинделя станка (а) и графики упругих

перемещений (б)

Величина нагружающей силы изменяется с помощью ступенчатого увеличения груза 1, повешенного на тросе 2. С помощью индикатора 4 измеряют перемещение конца шпинделя 3 относительно станины станка. Графики упругих перемещений от действия сил могут иметь различный вид (рис. 9, б). Зависимость 1 имеет место в случаях, когда в системе содержится слабо закрепленный элемент. После его сравнительно большого перемещения под действием малой силы зазоры выбираются, и возникает контактирование рабочих поверхностей всей нагруженной цепи элементов. Часто встречается в практике линейная зависимость 2. О жесткости можно судить по углу наклона прямой к оси абсцисс. После нагружения элементов и затем их разгрузке (показано стрелками), технологическая система не возвращается в исходное положение, а создается некоторое остаточное перемещение . Петля гистерезиса характеризует работу, затраченную на деформирование элементов системы. В расчетах чаще всего ориентируются на зависимость 2, как наиболее типичную. График 3 показывает, что жесткость системы до определенных значений была достаточно высокой, а затем в системе стал проявляться элемент с относительно низкой жесткостью. Следует отметить, что при разгрузке узла все зависимости будут характеризоваться петлей гистерезиса по типу графика 2.

Наиболее часто нагружающую силу создают различными динамометрическими устройствами. Схема определения жесткости элементов технологической системы показана на рис. 10. С целью упрощения нагрузочного устройства и учитывая, что в большинстве случаев радиальная составляющая силы резания оказывает наибольшее влияние на приращение размера детали, направление нагружающей силы принято вдоль оси .

В корпусе 5 нагружающего устройства, установленного на верхних салазках 4 токарного станка, консольно закреплена упругая балка 6 с наконечником 7. Перемещение нагрузочного устройства вдоль оси осуществляется рукояткой 1 поперечного перемещения салазок 2. Деформации тарированной упругой балки 6, пропорциональные нагружающей силе измеряется индикатором 3, также закрепленном в корпусе 5. Горизонтальные перемещения элементов технологической системы вдоль оси измеряются индикатором 11, установленном в стойке 12, которая закреплена на суппорте 10. Заготовка 13 устанавливается в центрах или в трехкулачковом патроне 9. При установке заготовки в центрах неподвижный центр передней бабки 8 устанавливается в трехкулачковом патроне 9, а задний центр 14 располагается в пиноли 15 задней бабки 19. Для перемещения задней бабки 19 по направляющим 20 необходимо отпустить рукоятку крепления 17, а перемещение пиноли 15 с задним центром 14 осуществляется маховиком 18 при отпущенной рукоятке 16. Перемещение суппорта 10 вдоль направляющих 20 осуществляется вручную при отпущенной гайке 23. При перемещении суппорта 10 необходимо прижимать планку 21 к боковой поверхности направляющих 20. Рукояткой 22 совмещается положение наконечника 7 с линией измерения индикатора 11.

Описанное устройство лишь приближенно имитирует нагрузки, действующие на заготовку в процессе резания, так как оно не создает вертикальной и осевой составляющих силы резания и крутящего момента.

Статическая жесткость станков обычно в 1,2 – 1,4 раза выше, чем работающих станков, поэтому более достоверные данные о жесткости дает производственный метод. Производственный метод основан на обработке заготовки с переменным припуском и некоторых расчетах. Для испытания, например, токарного станка, берут достаточно жесткую заготовку, имеющую два пояска диаметрами и , (рис.11, a). Пояски обрабатываются за один рабочий ход (рис.11, б) при неизменных условиях (подаче, скорости и т. д.). Уступ , образовавшийся вследствие разных глубин резания и отжатий в технологической системе, будет меньше .

Рис.10. Схема определения жесткости технологической системы

Рис.11. Производственный метод определения жесткости станка

Отношение , называемое уточнением, показывает во сколько раз в результате обработки уменьшилась погрешность заготовки. Уточнение характеризует жесткость технологической системы

где ; - постоянный коэффициент, учитывающей условия обработки; – подача, мм/об.

Метод пригоден для определения жесткости не только токарных, но и станков других типов. Например, жесткость фрезерного станка определяется после торцевого фрезерования ступенчатой заготовки за один рабочий ход.

Порядок выполнения работы

К выполнению экспериментальной части работы приступают после выполнения п.п. 2.1, 2.2 «Задач работы» и получения разрешения преподавателя.

1. Пользуясь торцевым ключом установить вал 13 (рис.10) в трехкулачковом патроне консольно. Длина зажимаемого кулачками участка вала 20 – 25 мм.

2. Отпустив гайку 23 установить суппорт 10 в положение, при котором наконечник 7 находится на расстоянии 40 – 50 мм от торца кулачка. Зафиксировать суппорт 10 гайкой 23, при этом планка 21 должна быть прижата к боковой поверхности направляющих 20. В начальном положении наконечник 7 не должен касаться вала и быть на одной линии с осью индикатора 11. При их несовпадении рукояткой 22 изменить положение наконечника вдоль оси вала в нужном направлении.

3. Линейкой измерить расстояние от наконечника 7 до торца кулачка. Для удобства отсчетов по индикаторам 3 и 11 их начальные показания установить на нуль.

4. Вращением рукоятки 1 по часовой стрелке переместить нагружающее устройства к оси вала 13, до момента, когда показания индикатора 3 будут равны 0,30 мм, что соответствует значению нормальной составляющей силы резания = 30 Н.

5. По индикатору 11 определить величину упругого перемещения вала 13 в данном сечении.

6. Вращением рукоятки 1 против часовой стрелки отвести наконечник 7 нагружающего устройства на расстояние 2…3 мм от вала 13.

7. Отпустив гайку 23 установить суппорт 10 в следующее положение (упругие перемещения вала определить еще в двух сечениях: посередине и вблизи его конца).

8. Рассчитать величину упругих перемещений вала в трех сечениях пользуясь формулой

где – расстояние от наконечника нагружающего устройства до торца кулачка.

9. Построить профили продольного сечения консольно закрепленного вала используя экспериментальные и теоретические данные. Определить вид отклонения профиля продольного сечения цилиндрической поверхности и его величину по формуле

где и – максимальный и минимальный диаметры вала соответственно; – настроечный размер; и - максимальное и минимальное упругие перемещения вала.

10. Закрепить в трехкулачковый патрон 9 передний центр 24 (рис. 12, а).

11. Переместиться суппорт 10 к передней бабке 8 и закрепить его в положении, при котором расстояние от наконечника 7 до торца кулачка составляет 5 – 10 мм.

12. Переместить нагружающее устройство к оси центра до момента, когда показания индикатора 3 станут, равны 0,9 мм, что соответствует значению нормальной составляющей силы резания =80 Н. По индикатору 11 определить величину смещения передней бабки 8 у переднего центра.

а) б)

Рис.12 Схемы измерения величины упругого перемещения передней (а) и задней (б) бабок.

13. Рассчитать жесткость передней бабки, измеренную на переднем центре

.

14. Переместить суппорт 10 к задней бабке 19 и аналогичным образом определить величину смещения задней бабки 19 у заднего центра 14 (рис.12, б).

15. Рассчитать жесткость задней бабки, измеренную на заднем центре

.

16. Установить вал 13 в центрах и измерить его упругие перемещения при = 80 Н в трех сечениях: на расстоянии 10 – 15 мм от левого торца, посередине и на расстоянии 10 -15 мм от правого торца.

17. Рассчитать величину упругих перемещений вала в трех сечениях с учетом упругих перемещений центров станка пользуясь формулой (13). Деформации суппорта и резца не влияют на погрешности профиля продольного сечения и при расчете их не учитывать.

18. Построить профили продольного сечения вала закрепленного в центрах используя экспериментальные и теоретические данные. Определить вид отклонения профиля продольного сечения цилиндрической поверхности и его величину.

Содержание отчета

1. Цели и задачи работы.

2. Результаты измерения величины упругих перемещений консольно закрепленного вала вызванных силой .

3. Результаты расчета величины упругих перемещений консольно закреплен- ного вала.

4. Профили продольного сечения консольно закрепленного вала.

5. Схемы и результаты измерения величины упругого перемещения передней и задней бабок.

6. Результаты расчета жесткости передней и задней бабок.

7. Результаты измерений и расчета величины упругих перемещений вала установленного в центрах.

8. Профили продольного сечения вала, установленного в центрах.

9. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Каким образом неравномерный припуск и различие твердости материала заготовок влияет на точность и производительность обработки?

2. Жесткость и податливость технологической системы.

3. Объясните причины копирования формы поверхности заготовки на обработанную деталь.

4. Что такое уточнение и что оно показывает?

5. Из каких величин складывается упругое перемещение в технологической системе под воздействием силы резания?

6. Как определяется приведенный диаметр ступенчатых валов?

7. Каковы пути повышения жесткости технологической системы?

8. Назовите методы определения жесткости технологической системы и дайте им характеристику.

Литература

1. Колесов И.М. Основа технологии машиностроения: Учебник для машиностроит. специальных вузов. – М.: Высшая шк., 1999. – 591с.: ил. – С. 331 – 349.

2. Технология машиностроения: В 2т. Т.1. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов/В.М. Бурцев, А.С. Васильев, А.М. Дальский и др.; Под редакцией А.М. Дальского. – М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. – 564с.: ил. – С. 117 – 127.