Тема 2.4 Базирование деталей в станочных приспособлениях

Свободное твердое тело имеет шесть степеней свободы: перемещения вдоль и повороты вокруг трех взаимно перпендикулярных осей. При обработке какой-либо поверхности заготовки последняя путем закрепления лишается всех степеней свободы относительно приспособления, определяющего положение этой заготовки в системе станок—приспособление—инструмент—деталь (СПИД). Очевидно, что до закрепления заготовка должна занимать в приспособлении вполне определенное и устойчивое положение. Придание заготовке или изделию требуемого положения относительно выбранной системы координат называется базированием. А точку, символизирующую одну из связей заготовки с избранной системой координат, называют опорной точкой. При базировании в общем случае достаточно иметь шесть опорных точек, расположенных определенным образом, которые обеспечивают полную ориентацию заготовки в пространстве. Отсюда вытекает известное «правило шести точек».

Детали машин в процессе их обработки на станках образуют с режущим инструментом, как правило, двух- или трехподвижные кинематические пары, т. е. из шести независимых движений (степеней свободы), которыми обладает любое свободное в пространстве тело, сохраняют два или три независимых движения. Так, при обработке на токарном станке цилиндрической поверхности стержня в один проход обрабатываемая деталь вращается около своей оси, а инструмент поступательно перемещается параллельно этой оси, т. е. деталь и инструмент в процессе такой обработки образуют двухподвижную вращательно-поступательную кинематическую пару.

При обработке на том же станке той же поверхности или другой какой-либо криволинейной поверхности в несколько проходов указанная пара имеет три степени свободы, так как в процессе обработки деталь вращается, а инструмент перемещается поступательно в двух направлениях — параллельно и перпендикулярно оси детали.

Сущность установки детали при выполнении любой операции и состоит в лишении детали соответствующего числа степеней свободы, причем эта сущность не изменяется и от вида обработки. Например, при той же обработке цилиндрической поверхности на токарном станке деталь может совершать поступательное движение, а инструмент — вращательное. При выполнении этой операции на сверлильном станке обрабатываемая деталь обычно остается неподвижной, а инструмент совершает вращательное и поступательное движения.

Независимо от того, сколько степеней свободы сохраняет кинематическая пара инструмент—обрабатываемая деталь, последняя с приспособлением не образуют кинематической пары, так как деталь в приспособлении лишена всех степеней свободы, ибо относительно приспособления она должна быть неподвижной от начала до конца обработки заданной поверхности. Исключение составляет вращающаяся обрабатываемая деталь, установленная на неподвижный центр (например, центр задней бабки токарного станка) и образующая с этим центром одноподвижную кинематическую пару. Но такую установку следует отнести к группе «неправильных установок».

Движения обрабатываемой детали, необходимые при выполнении некоторых операций, например при фрезеровании последовательно нескольких прорезей на цилиндрической или торцовой поверхности детали, при последовательном сверлении нескольких отверстий, расположенных на окружности определенного радиуса, не являются дополнительной степенью свободы, так как обработка очередного паза или отверстия в рассматриваемых случаях по существу представляет обработку при новой установке.

Требующееся положение обрабатываемой детали в приспособлении и сохранность этого положения в процессе всей обработки обеспечивается установочными и зажимными элементами, так как обрабатываемая деталь своими базовыми поверхностями опирается на установочные элементы, которые называются опорами. Опоры можно разделить на две группы — основные и вспомогательные.

Поверхность или выполняющее ту же функцию сочетание поверхностей, ось, точку, принадлежащую заготовке или изделию и используемую для базирования, называют базой. Большинство деталей машин ограничено простейшими поверхностями — плоскими, цилиндрическими, коническими, которые и используют в качестве баз. Базам заготовки соответствуют опорные поверхности (элементы) приспособления. Опорные элементы подразделяют на основные опоры, определяющие положение заготовки относительно корпуса приспособления, а, следовательно, относительно станка и инструмента, и вспомогательные опоры, предотвращающие деформацию заготовки в процессе обработки и не влияющие на положение заготовки в приспособлении. Конструктивное оформление опорных элементов зависит от вида (плоскость, цилиндр), шероховатости и точности баз заготовки.

Основными называются неподвижные опоры, координирующие обрабатываемую деталь в приспособлении в трех взаимно перпендикулярных плоскостях, т. е. опоры, лишающие деталь всех степеней свободы относительно приспособления. Максимально необходимое число таких опор равно шести. Отсюда вытекает правило шести точек, которым руководствуются при проектировании приспособлений.

Пусть, например, требуется установить в приспособлении прямоугольную плиту 4 (рис. 4.1, а), в которой должно быть просверлено отверстие на расстояниях l и l₁ от боковых поверхностей. Ось отверстия должна быть перпендикулярна нижнему основанию плиты. Если в приспособлении установить три опоры; 2 в одной горизонтальной плоскости и положить обрабатываемую деталь на эти опоры, то последние лишат деталь трех степеней свободы (двух вращательных относительно осей х и у)и одной поступательной (относительно оси z). Если на вертикальной стенке приспособления расположить еще две опоры 3 на расстоянии l от оси инструмента и довести обрабатываемую деталь до этих опор, то она будет лишена еще двух степеней свободы (одной вращательной относительно оси z и одной поступательной относительно оси у). Если на второй вертикальной стенке приспособления имеется еще одна опора 1 на расстоянии l₁от оси инструмента, то при соприкосновении с этой опорой обрабатываемая деталь лишается последней степени свободы (поступательного движения в направлении оси х). Таким образом, обрабатываемая деталь относительно приспособления становится неподвижной. В то же время в процессе обработки отверстия кинематическая пара инструмент—деталь должна иметь две степени свободы, причем независимо от того, на каком станке выполняется обработка. Если она выполняется, например, на сверлильном станке, то должны быть обеспечены вращательное и поступательное движения сверла относительно обрабатываемой детали. Если же обработка осуществляется на токарном станке, то возможно, например, вращательное движение сверла и поступательное движение детали, или, наоборот, вращательное движение детали и поступательное движение сверла.

Рис. 4.1. Схема расположения основных опор

Для других видов обработки необходимое число опорных точек для обеспечения неподвижности обрабатываемой детали относительно приспособления также не превышает шести. Например, при фрезеровании шпоночного паза Ш на цилиндрической детали (рис.- 4.1,б), расположенного под определенным углом к пазу П во фланце детали, последняя должна быть установлена на четыре точки К, лежащие попарно в плоскостях А—А и Б—Б и лишающие деталь четырех степеней свободы (двух вращательных и двух поступательных движений относительно осей х и z), и еще на две точки Л и М, одна из которых лишает деталь поступательного движения вдоль оси у, а вторая — вращательного относительно той же оси.

Так как опоры воспринимают, кроме веса детали, еще силы зажима и силы резания, которые могут быть значительными, то их должны изготовлять из высокопрочных, износостойких материалов. Поэтому для опор применяют хромистую сталь 20Х и конструкционную сталь 20 с цементацией рабочих поверхностей опор на глубину 0,8—1,2 мм и закалкой до твердости HRC 58—62. Рабочие поверхности для обеспечения лучшего прилегания к ним обрабатываемой детали должны быть по возможности небольших размеров. Для легкой и быстрой замены опор в случае износа или повреждения необходимо обеспечить свободный доступ к ним.

Для того чтобы обрабатываемая деталь имела устойчивое положение на основных опорах, последние следует располагать на максимально возможном расстоянии друг от друга, причем так, чтобы силы резания и зажима находились либо против опор, либо между ними вблизи какой-либо опоры. По условиям обработки это требование не всегда может быть выдержано и деталь, установленная на основные опоры, хотя бы и размещенные в наиболее выгодном положении, часто оказывается неустойчивой под действием сил резания. Например, плита 4 (рис. 1), поставленная на три основные опоры 2, оказывается вполне устойчивой только при сверлении отверстий, расположенных в пределах контура треугольника опор (на рис. 1, штриховая линия), и теряет устойчивость при сверлении отверстий, расположенных за пределами контура указанного треугольника, например в точках б и с. Неустойчивость эта может быть вызвана силой подачи инструмента, или силой зажима, под действием которых возможна деформация детали или даже ее поломка.

Чтобы исключить эти явления, можно увеличить число основных опор (принять больше шести), но только в том случае, когда обрабатываемая деталь устанавливается в приспособлении обработанными поверхностями и обеспечен одинаковый уровень всех опор в каждой из установочных поверхностей и точное взаимное положение .этих поверхностей.

В тех случаях, когда обрабатываемая деталь устанавливается в приспособлении необработанными поверхностями (обычно это имеет место на первых операциях), нельзя увеличивать число основных опор в каждой из трех координатных плоскостей, так как это приводит к неправильному положению детали. Это объясняется тем, что при большом числе опор необработанная деталь может занять неустойчивое положение или установится с перекосом на опорах.

Во избежание этих явлений, целесообразно в местах приложения сил резания (в рассматриваемом случае в точках б и с) и сил зажима применять подвижные, так называемые, вспомогательные опоры, которые включаются в работу только после того, как деталь займет определенное положение на основных опорах. Число вспомогательных опор определяется конфигурацией и жесткостью обрабатываемой детали, условиями обработки и т. п., поэтому может быть различным.

Уменьшение количества ограничений на ориентацию заготовки в пространстве облегчает как ее установку на станке, так и конструирование приспособления для этой установки. Чем больше ограничений накладывается на заготовку при ее базировании, тем сложнее приспособление. Поэтому, разрабатывая задание на конструирование приспособления, технолог должен исходить из следующего основного принципа: лишать заготовку при базировании в приспособлении лишь тех перемещений, которые могут вызвать искажения по выдерживаемым размерам.