Лекция 4. ТОЧНОСТЬ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ(шестерня)

Рассматриваемые вопросы: Понятие точности. Факторы, влияющие на точность обработки на металлорежущих станках. Связь погрешности обработки и допуска на размер.

Понятие точности

Точность - основная характеристика деталей и машин. Под точностью в машиностроении понимается степень соответствия производимых изделий за­ранее установленному прототипу или образцу. В качестве образца принимает­ся деталь, заданная чертежом.

Точность детали, полученной в результате механической обработки, оп­ределяется:

- отклонениями действительных размеров детали от требуемых;

- отклонениями от геометрической формы детали или ее элементов (от­клонения от прямолинейности, плоскостности, круглости, цилиндрич-ности и пр.);

- отклонениями поверхностей и осей детали от точного взаимного распо­ложения (отклонения от параллельности, перпендикулярности, соосно­сти, симметричности и пр.);

- шероховатостью поверхности.

Отклонения значений параметров реальной детали от детали, заданной чертежом, характеризует величину погрешности.

4.2. Факторы, влияющие на точность обработки на металлоре­жущих станках

Общая погрешность выполняемого размера складывается из нескольких составляющих. На точность обработки на металлорежущих станках влияют:

- неточность станка А_ст ;

- погрешность установки А_уст ;

- неточность инструмента и его износ А_ин ;

- неточность установки инструмента А_настр ;

- деформации деталей во время обработки, вызванные силами резания и закрепления А_деф;

- тепловые деформации А_г;

- деформации, вызванные внутренними напряжениями в материале де­тали А_а;

- погрешность измерения А_изм ;

- ошибка исполнителя А_исп .

Рассмотрим подробнее каждую из перечисленных погрешностей, опреде­лим причины ее возникновения и степень влияния на окончательную точность детали.

Неточность станков

Точность станка в ненагруженном состоянии (геометрическая точность станка) зависит главным образом от точности изготовления деталей станка и точности их сборки. Нормы точности станка всегда выше норм точности дета­лей, получаемых на этом станке. Нормы точности и методы проверки точности станков регламентируются стандартами. Вследствие износа в процессе экс­плуатации точность станка изменяется. Появляются такие отклонения как бие­ние шпинделя (износ подшипников), непрямолинейность направляющих, по которым перемещается каретка суппорта, смещение центров передней и задней бабки, повышенные вибрации и т.п. Это приводит к несоосности поверхностей, смещению осей, искажению геометрической формы, ухудшению параметров шероховатости поверхностей детали.

Погрешность установки

При установке детали на станке еѐ фактическое положение отличается от требуемого. Отклонение положения установленной заготовки от требуемого называется погрешностью установки.

s =fs-,s ;б , (4.1)

уст J баз'закр'пр '

где б_баз - погрешность базирования;

£_зак_р - погрешность закрепления;

е_пр - погрешность приспособления.

Погрешность базирования s _баз возникает при несовпадении измеритель­ной и установочной баз заготовки. При совпадении измерительной и устано­вочной баз погрешность базирования равна нулю. Так, на рисунке 4.1 погреш­ность базирования размера L равна нулю, так как измерительная и установоч­ная базы совпадают: е_базЬ = 0. Погрешность базирования размера К равна до­пуску на размер, связывающий измерительную и установочную базы: в_базК= δ .

Рис. 4.1. Схема установки детали на плоскую поверхность

При несовпадении измерительной и установочной баз погрешность бази­рования определяют путем расчета, исходя из геометрических элементов схемы установки (рисунок 4.2).

Погрешность базирования размера L при посадке детали на разжимную оправку без зазора

при посадке с зазором А:

_£баз_Ь = ^ + А. (4.3)

Рис. 4.2. Схема установки детали на цилиндрическую оправку с зазором

Погрешность базирования для размеров, определяемых инструментом, равна нулю. К таким размерам относятся размеры, определяемые только разме­ром инструмента: диаметром сверла, зенкера, развертки, шириной фрезы и т.п. Для размеров, определяющих взаимное положение поверхностей, обработан­ных с одной установки, погрешность базирования также равна нулю.

На погрешность базирования влияют погрешность формы и параметры шероховатости базовой поверхности, поэтому в качестве баз следует выбирать наиболее точно обработанные поверхности.

Погрешность закрепления вызвана смещение измерительной базы по на­правлению измеряемого размера под действием сил закрепления. На рисунке 4.1 погрешность закрепления размеров L и К £_{закр К}Ф0, s_3aKpL Ф 0, так как из­мерительная база размеров перемещается под действием прижимной силы.

Погрешность закрепления определяется в основном деформациями в мес­те контакта заготовки с установочными элементами. Контактные деформации зависят от величины прижимной силы Q:

y = C-Q", (4.4)

где С ип- коэффициенты, зависящие от вида контакта, материала, шероховато­сти поверхности.

у

Yi

Qi

Q

Рис. 4.3. Зависимость контактных деформаций от прижимной силы

Необходимо отличать погрешность установки от неправильной схемы ус­тановки. Сила закрепления должна надежно прижимать базовую поверхность заготовки к установочным элементам приспособления. Поворот или смещение заготовки при закреплении указывает на неправильную схему установки.

Погрешность приспособления _пр определяется:

- погрешностью изготовления и сборки самого приспособления;

- износом установочных элементов;

- погрешностью установки приспособления на станке. Способы устранения или уменьшения этих погрешностей:

- при использовании одного приспособления его погрешность посто­янна и ее можно учесть при настройке. При использовании несколь­ких приспособлений-дублеров их погрешность будет входить в по­грешность установки;

- износ установочных элементов приспособлений периодически кон­тролируется и при достижении предельно допустимой величины их заменяют. Для уменьшения износа установочные элементы выполня­ют из закаленной стали, хромируют или наплавляют твердым спла­вом.

- погрешность установки самого приспособления на станке (перекосы, смещения) уменьшают путем установки фиксаторов, направляющих элементов и т.п. на столе станка.

Погрешности £_баз, £_закр, _пр - величины векторные. Погрешность установки определяют как векторную сумму

ч

(4.5)

„2 , ~2 ,2

£ + £ + £

уст

баз закр пр

Погрешность приспособления обычно значительно меньше, чем погреш­ности базирования и закрепления. Поэтому с достаточной степенью точности погрешность установки можно определить, учитывая только погрешности ба­зирования и закрепления.

Степень точности инструмента и его износ

Инструмент, как и всякое другое изделие, имеет свою точность изготовле­ния. Погрешности инструмента переносятся на обрабатываемую деталь. Раз­меры и точность стандартных инструментов регламентированы стандартами. Выбранный инструмент должен обеспечивать заданную точность обработки.

На точность обработки существенно влияет износ инструмента. Износ инструмента характеризуется начальным износом и_н (приработкой режущей

кромки) и размерным износом. Приработка режущей кромки - это износ на первой 1000 м пути резания. Во время приработки режущей кромки износ идет более интенсивно, чем при установившемся режиме резания. Размерный износ характеризуется удельным износом и_о за время пути резания в 1000 м. Величи­на удельного износа для различных инструментов в зависимости от конкретных условий обработки приводится в справочных таблицах. Приняв по норматив­ным данным величину удельного износа и для обработки партии деталей од-

ним инструментом без переточки, можно определить его размерный износ А_и в мкм:

А =и +-^—-и , (4.6)

" " 1000 °

где L - длина пути резания, м.

Длину пути резания можно определить по скорости резания V, м/мин, и стойкости инструмента Т, мин.:

L = V-T.

Неточность установки инструмента

Периодическая смена затупившегося инструмента вызывает необходи­мость настройки станка на выполняемый размер. Однако невозможно обеспе­чить совершенно одинаковое положение инструмента для обработки другой партии деталей. Задача настройки или установки инструмента на размер - обес­печить выполнение размеров детали в пределах поля допуска.

Установка инструмента, рабочих элементов станка и установочных эле­ментов приспособления в положение, обеспечивающее получение размера в поле допуска, называется размерной наладкой станка.

Процесс наладки состоит в том, чтобы обеспечить совпадение середины поля мгновенного рассеяния с наладочным размером.

Наладка может производиться следующими методами:

- методом пробных стружек и промеров;

- методом пробных деталей;

- по калибрам наладчика (с меньшими полями допусков);

- статическая наладка (на неработающем станке) по эталону.

Деформации системы станок-приспособление-инструмент-деталь

Система станок-приспособление-инструмент-деталь (СПИД) - это замк­нутая упругая система, в которой в процессе обработки действуют силы реза­ния, закрепления и силы тяжести. Эти силы вызывают деформации, влияющие на точность обработки.

Точность обработки зависит от жесткости системы. Под жесткостью уп­ругой системы понимают ее способность оказывать сопротивление действию сил, стремящихся ее деформировать. При отсутствии достаточной жесткости под действием сил резания и других сил система деформируется, что приводит к искажению формы детали и получению ее неправильных размеров. С жестко­стью системы СПИД связано и явление вибрации. Системы, обладающие большой жесткостью, могут работать с более высокими режимами резания без появления вибраций, что обеспечивает большую производительность.

На рисунке 4.4 показана деформация вала под действием сил резания при обработке на токарном станке в центрах без люнета. На рисунке 4.5 показано

разложение силы резания на составляющие.

Рис. 4.4. Деформация вала при обработке на токарном станке в центрах без люнета

На точность обработки преимущественно влияют те деформации систе­мы, которые изменяют расстояние между режущей кромкой инструмента и об­рабатываемой поверхностью, т.е. деформации, направленные по нормали к об­рабатываемой поверхности. Поэтому в технологии машиностроения жестко­стью технологической системы принято называть отношение составляющей силы резания Р_у, направленной по нормали к обрабатываемой поверхности, к смещению у режущей кромки инструмента в том же направлении:

Р

}= — . (4.7)

у

Рис. 4.5. Разложение силы резания на составляющие

Величина деформации прямо пропорциональна силе Р_у и обратно про­порциональна жесткости системы:

P_v

У = — . (4.8)

j

Введя понятие податливости системы как величины, обратной жесткости со = 1/у, получим:

у = Р_усо. (4.9)

Погрешность, вызванная деформациями всех звеньев системы СПИД

\ _{=у =} Р _{а +а} +со +а}} . (4.10)

деф J у cm np ин дет

Высокая жесткость системы СПИД является одним из основных условий обеспечения точности обработки.

Повышение жесткости технологической системы приводит к уменьше­нию вибраций ее звеньев и, следовательно, позволяет повышать режимы реза­ния, не снижая точности обработки.

Тепловые деформации

На точность механической обработки деталей существенно влияют тем­пературные деформации обрабатываемой детали, инструмента и деталей стан­ка, вызываемые их нагревом.

Тепловые деформации возникают из-за нагрева детали и инструмента в зоне резания и нагрева станка теплом, образующимся при трении движущихся частей станка. Тепловые деформации особенно влияют на точность деталей при выполнении окончательных, чистовых операций.

При обработке с охлаждением детали и инструмента смазывающе-охлаждающей жидкостью тепловые деформации всей системы СПИД значи­тельно уменьшаются.

Остаточные напряжения в материале заготовок

Внутренними или остаточными называют напряжения, существующие в заготовке при отсутствии внешних нагрузок. Они полностью уравновешивают­ся, и их действие в заготовках внешне не проявляется

Причиной появления внутренних остаточных напряжений является не­равномерное охлаждение заготовки при литье, ковке, штамповке, сварке.

Особенно характерны внутренние напряжения для крупных, нежестких и толстостенных заготовок.

С течением времени внутренние напряжения в заготовке выравниваются. При снятии поверхностного слоя материала (особенно при черновых операци­ях, где снимается значительный слой) происходит нарушение равновесия внут­ренних напряжений и деталь деформируется из-за их перераспределения. Это особенно проявляется при обработке крупных литых заготовок.

Для снятия внутренних напряжений заготовок применяют медленное ох­лаждение (например, вместе с печью) и термообработку (отжиг, отпуск, старе­ние естественное или искусственное). Термообработку применяют и после чер­новой обработки перед чистовыми операциями. На чистовых операциях уменьшаются деформации, полученные на черновых операциях. Чистовые опе­рации, на которых снимается очень небольшой слой металла, исправляют фор­му детали и придают ей окончательные размеры.

Погрешность измерения

На погрешность измерения влияют точность мерительного инструмента и качество поверхности детали. Если поверхность детали имеет большую ше­роховатость, то при контроле размера детали измерение производят по верши­нам или впадинам микронеровностей, что может существенно повлиять на по­казания при измерении. Чтобы достичь заданной точности размеров детали и установить при контроле, действительно ли получен заданный размер, необхо­димо обеспечить при обработке надлежащий класс шероховатости поверхно­сти. Степень точности размера и параметры шероховатости поверхности связа­ны между собой. Параметр шероховатости Rz для размеров 5 - 10 квалитетов точности не должен превышать 25 % величины поля допуска на обрабатывае­мый размер. Для размеров, выполняемых по 11 и более грубым квалитетам, па­раметр шероховатости не должен превышать 12,5 % от величины поля допуска. Суммарную погрешность обработки трудно определить теоретически из-за различного характера и направленности перечисленных погрешностей. Одни погрешности дают увеличение размеров, другие - уменьшение; некоторые по­грешности компенсируют друг друга, другие, наоборот, накладываются и уве­личивают общую погрешность. Путем расчета определить влияние каждого из перечисленных факторов при их совместном действии затруднительно. Поэто­му, общую погрешность обработки представляют как алгебраическую сумму погрешностей, учитывая те погрешности, которые действуют в направлении обрабатываемого размера

Аобщ = ^А_г. (4.11)

В справочной литературе приводятся таблицы достижения определенной точности различными методами обработки и инструментами, т.е. приводится величина технологического допуска 5на выполняемый размер. Общая по­грешность обработки должна находиться в пределах поля допуска на выпол­няемый размер

^Ao6_m=T;^Ai-^S. (4.12)

Таблицы составляются на основании опытных данных для различных ме­тодов обработки. Этими таблицами пользуются при проектировании техноло­гических процессов.