2. Точность и качество обработки

2.1. Точность и погрешности обработки

Точность изготовления деталей является одним из важнейших факторов, определяющих эксплуатационные свойства, надежность и долговечность ма­шин, поэтому развитие машиностроения, в том числе и авиационного двигателестроения, характеризуется непрерывным повышением требований по точности изготовления деталей и сборки изделий. Точность изготовления является также необходимым условием обеспечения взаимозаменяемости деталей и узлов изделий.

Точность характеризуют погрешностью обработки со, т. е. отклонением раз­мера от номинального, заданного чертежом. Точность обработки на чертеже де­тали задается допуском (допускаемым отклонением) δ, т. е. разницей между наибольшим и наименьшим допустимыми размерами. Значения допусков и их расположение относительно номинального размера определяют характер и точ­ность сопряжения деталей при сборке. ГОСТ 25346-89 предусмотрено

20 квалитетов точности: 01, 0, 1, 2, 3, 18. Допуски по квалитетам IT01...IT1назначают на концевые меры длины; IТ2...IТ4 — на калибры и особо точные изделия; IT5...IT12 — на сопрягаемые детали; IT 13...IT 18 — для неответствен­ных размеров несопрягаемых деталей.

Под точностью обработки понимают также получение размеров деталей в соответствии с допусками, указанными на чертеже, обеспечение формы поверх­ностей с отклонениями, не превышающими значение, указанное на чертеже (по­грешности формы весьма разнообразны, их примерами являются некруглость, нецилиндричность, неплоскостность, отклонение от эвольвенты и др.), обеспе­чение взаимного расположения поверхностей детали с отклонениями, не пре­вышающими значение, указанное на чертеже. Примерами погрешностей распо­ложения являются непараллельность плоскостей, неперпендикулярность по­верхностей, несимметричность, несоосность осей отверстий.

Точность, заданная чертежом, может быть обеспечена разными способами.

В условиях единичного и опытного производства точность взаимного рас­положения поверхностей достигается выверкой (проверкой точности установки заготовки на станке с использованием специальных устройств). Точность разме­ров обеспечивается пробными ходами — последовательным снятием слоев ма­териала с периодическими замерами.

В условиях серийного и массового производства точность размеров обеспе­чивается настройкой станка на заданный размер. Точность взаимного располо­жения достигается применением приспособлений, обеспечивающих заданное положение заготовки относительно режущего инструмента.

Все погрешности, определяющие точность изготовления деталей на метал­лорежущих станках, могут быть разделены на три категории:

1. погрешности установки заготовок ω_у;

2. погрешности настройки станка ω_н;

3. погрешности, возникающие непосредственно в процессе обработки. Погрешности третьей категории вызываются следующими причинами:

• ограниченной точностью станка (неточность изготовления, износ и де­формация базовых элементов);

• упругими деформациями технологической системы под действием сил резания ω_н;

• температурными деформациями технологической системы ω_г;

• размерным износом режущих инструментов ω_н;

• поводками детали вследствие образования остаточных напряжений;

Неточности изготовления станков, износ и деформация их базовых эле­ментов. Неточности изготовления станков частично или полностью переносятся на обрабатываемую деталь через погрешности кинематических цепей, биение шпинделя, непрямолинейность, неперпендикулярность или непараллельность перемещения суппорта или стола, неперпендикулярность и непараллельностьоси шпинделя и направляющих, зазоры в сопряжениях деталей.

Нормы точности задают стандартами и указывают в паспортах станков.

Точность станка снижается по мере его эксплуатации в результате износа деталей и узлов, старения материалов, ослабления креплений и др.

В связи с этим периодически, через установленные сроки, проводят испыта­ния станков на точность для установления погрешностей траекторий перемеще­ния рабочих органов и исполнительных элементов и их отклонений от допускае­мых. Такие испытания при необходимости дополняют работами по регулирова­нию и компенсации воздействий, вызванных деформацией и износом элементов станка.

При обработке на станках с ЧПУ дополнительно возникают погрешности выполнения управляющих программ (погрешность позиционирования инстру­мента, погрешность интерполяции обрабатываемого контура, связанная с дис­кретностью перемещений по отдельным осям).

Точность станка может снижаться в результате деформаций его элементов при неправильном монтаже или оседании фундамента.

Упругие деформации технологической системы под действием сил резания. Узлы и устройства, участвующие в процессе обработки детали, образуют техно­логическую систему (ТС): станок — приспособление — инструмент — заготов­ка. Упругая деформация ТС под действием сил резания является одним из ос­новных факторов, влияющих на точность обработки.

Под жесткостью технологической системы понимается ее способность ока­зывать сопротивление действию деформирующих сил. Жесткость ТС выражает­ся отношением составляющей силы резания, направленной по нормали к обра­батываемой поверхности Р_у, к смещению под действием этой силы лезвия инст­румента относительно заготовки у:

(2.1)

Иногда используется понятие податливости, т. е. величины, обратной жест­кости:

(2.2)

Жесткость технологической системы определяется жесткостью ее состав­ляющих. В качестве примера на рис. 2.1 представлена структура перемещений под действием сил резания при закреплении цилиндрической заготовки в цен­трах на токарном станке. Суммарное перемещение лезвия инструмента относи­тельно заготовки в сечении А будет:

(2.3)

где — перемещения соответственно передней бабки, заднейбабки, суппорта и заготовки в сечении А.

С учетом формулы (2.2) можно записать выражение для податливости технологической системы, из которого следует, что жесткость системы непостояненпо длине обработки:

(2.4)

В этой формулеЕ— модуль упругости материала заготовки, aJ— момент инерции ее сечения.

Жесткость станка и его отдельных узлов определяют экспериментальнымпутем. Жесткость заготовки в отдельных случаях может быть рассчитана поформулам из курса сопротивления материалов. Так, для рассмотренной схемы деформация заготовки и ее податливость равны соответственно

(2.5)

_(2.6)

Податливость для цилиндрической заготовки, установленной в патроне илив патроне с поджимом задним центром, определяется выражениями

(2.7)

(2.8)

Выражения (2.5)-(2.8) показывают, что способ установки заготовки значительно влияет на ее податливость и, следовательно, точность обработки.

Из уравнения (2.4) следует, что закон изменения податливости в зависимости от соотношения жесткости элементов технологической системы может быт разным. Так, при малой податливости заготовки по сравнению с податливостьиy_{п. б} и у_з.б получим погрешность в виде кореетности (вогнутая образующая).

Условию у_дет>y_{п. б},у_{з. б}соответствует бочкообразность.

Для экспериментального определения жесткости используют два основных: метода:

• статический, когда жесткость узла находят путем постепенного нагружения усилиями, которые соответствуют возникающим в процессе работы станка и замеров упругих перемещений;

• производственный, когда жесткость после обработки опытного образца; оценивается по размерам при снятии различных припусков и силам резания.

Температурные деформации элементов технологической системы. Haгревузлов станка в процессе работы вызывает тепловые деформации, изменяющиеих взаимное расположение и снижающие точность обработки. Относительная тепловая деформация может быть оценена по формуле

где α — коэффициент термического удлинения; L— длина детали; ∆L— изме­нение размера детали; ∆t— изменение температуры.

Тепловые деформации сравнительно невелики и учитываются в основном при обработке на станках высокой точности. Наиболее значительные тепловые деформации наблюдаются на станках с длинномерными станинами и направ­ляющими при неравномерном нагреве элементов. Для их уменьшения проводят предварительный прогрев станка. Тепловые деформации можно уменьшить при разработке конструкции станка рациональным расположением приводов, обес­печением равномерного нагрева и использованием специальных материалов.

Теплота, выделяющаяся в зоне резания, вызывает деформации детали и ин­струмента. Влияние тепловой деформации детали существенно при обработке тонкостенных конструкций. Для уменьшения погрешности обработки в зону ре­зания вводят смазочно-охлаждающую жидкость (СОЖ).

Неточность изготовления и размерный износ инструмента. Погрешности размеров и формы обрабатываемых деталей непосредственно зависят от точно­сти изготовления размерного и фасонного инструмента (сверла, зенкеры, раз­вертки, фасонные резцы и абразивные круги, фрезы, протяжки, резьбовые и зуборезные инструменты). Отсюда повышенные требования к изготовлению ре­жущего инструмента, позволяющие минимизировать его влияние на точность деталей.

Значительно большее влияние на точность оказывает износ режущего инст­румента.

Характер протекания износа инструмента, как правило, соответствует схеме, приведенной на рис. 2.2. На этой схеме показаны три участка: I— начального износа (приработки); II— установившегося износа (прямо пропорционального пути резания); III— катастрофического износа (интенсивное разрушение режу­щей кромки инструмента).

Износ инструмента влияет на точность обработки как непосредственно, в резуль­тате уменьшения инструмента в размерах (рис. 2.3), так и косвенно, из-за роста силы резания и увеличения деформации техно­логической системы.

При качественной заточке инструмен­та износ на участке Iнезначителен и обычно не учитывается. Очевидно, что ин­струмент должен быть заменен до наступления катастрофического износа. Основное время работы инструмента соответ­ствует участку II. Размерный износ инструмента Uв этом случае рассчитывают по формуле

где U₀— интенсивность износа, мкм/км; L— длина пути резания, м.

Интенсивность износа определяется экспериментально в зависимости от свойств обрабатываемого и инструментального материалов. Для чистовых ре­жимов резания ее значение колеблется от 4 до 12 мкм/км. Зная зависимость из­носа режущего инструмента от пути резания, можно оценить изменение разме­ров обрабатываемой поверхности и установить время межналадочного периода.

Расчет межналадочного периода Т_мн может быть выполнен по формуле

где [U] — допустимое значение износа по задней поверхности; v— скорость резания.

Погрешности установки заготовок в приспособлении, изготовления и установки приспособления, износа его рабочих поверхностей, деформации заготовокпри закреплении. Приспособления для установки и закрепления заготовок на стан­ках имеют свои погрешности, возникающие при изготовлении или в результата износа установочных элементов. Наиболее существенными из них являются не­точности установочных (базирующих) элементов, ориентирующих заготовку \ приспособлении, посадочных и опорных поверхностей, ориентирующих приспо­собление в системе координат станка, и неточность элементов, служащих длянастройки и направления режущего инструмента (установочные эталоны, кондукторные втулки, копиры). Эти погрешности влияют на точность обрабатываемыхдеталей.

Если технологическая база не совпадает с конструкторской, после обработ­ки наблюдается погрешность, называемая погрешностью базирования. Напри­мер, при обработке детали (рис. 2.4), базируемой по наружной поверхности(технологическая база), фрезерованием, выдерживаемый размер Н задан относи­тельно оси (конструкторская база).

Поскольку заготовка имеет определенный допуск δ, возникает погрешность cos:

Если при базировании в качестве технологической базы используют конст­рукторскую, погрешность будет равна нулю. Каждая установка заготовки на но­вую технологическую базу неизменно приводит к дополнительной погрешности. Поэтому при проектировании технологических процессов необходимо руково­дствоваться принципом постоянства технологической базы.

Конструктор указывает на рабочих чертежах размеры и допуски исходя из служебного назначения детали. При изготовлении детали иногда эти размеры невозможно выдержать или непосредственно измерить. По этим причинам при­ходится отказываться от обработки по конструкторским размерам и допускам, заменяя их технологическими. Следует учитывать, что при такой замене полу­чаемые фактические размеры не должны выходить за пределы конструкторских допусков, заданных чертежом. Пересчет конструкторских размеров в техноло­гические выполняется по методикам, основанным на анализе геометрических связей между размерами и поверхностями деталей.

На рис. 2.5, а показан цепной метод простановки размеров между центрами отверстий детали. Если ее изготовлять в несколько этапов, обрабатывая пооче­редно каждое отверстие у всей партии деталей с периодическими переналадками станка на обработку следующего отверстия, целесообразно использовать коор­динатную систему простановки размеров (рис. 2.5, б) от левого торца детали. При этом проставляют новые размеры L₁...L₂и рассчитывают допуски δ на их выполнение.

Очевидно, что для обеспечения размера l₂необходимо уменьшить допуск на размеры L₁и L₂:

Аналогично для других назначенных размеров:

Пересчеты размеров и допусков проводят в тех случаях, когда необходимоизменить измерительную базу для определения размеров от другой поверхностилинии или точки. На рис. 2.5, впоказана корпусная деталь, в которой растачивают два отверстия. Допустим, что на данную деталь сверху устанавливают ещеодин корпус, элементы которого связаны размерами с элементами нижнего корпуса. Конструктор указал размеры l₁и l₂ с соответствующими допусками, та как элементы устанавливаемого корпуса связаны с растачиваемыми отверстиями. Однако при растачивании корпус с отверстиями удобнее устанавливать г нижнюю плоскость. Отсюда необходимость задания новых размеров L₁и L₂ выполнения расчета допусков δ(L₁), δ(L₂) и δ(S). При решении данной задачисоставляется размерная цепь, в которой l₁ является замыкающим звеном:

Для определения допуска на размер Liсоставляют размерную цепь.Кудавходят S, L₂и l₂. Допуск на l₂является замыкающим звеном:

Как и в предыдущем случае, пересчет на новые вводимые размеры приводятк ужесточению допусков.

Составляющей частью погрешности установки является погрешность закрепления ω₃ заготовки в приспособлении. Каждая заготовка должна быть не только установлена так, чтобы ее технологические базы контактировали с установоч­ными элементами приспособлений, но и закреплена с силой зажима, обеспечи­вающей отсутствие ее смещений под действием силы резания. Силы зажима приводят к деформации заготовок (рис. 2.6) и образованию погрешностей в ре­зультате упругого восстановления после снятия детали. Погрешность закрепле­ния особенно важно учитывать при обработке маложестких заготовок, посколь­ку их деформации могут быть весьма значительными.

О сновными способами снижения погрешностей закрепления являются выбор оптимальной схемы зажима заготовки, обеспечение равномерного распределения нагрузки при закреплении, использование устройств для программного управле­ния усилием зажима в зависимости от жесткости обрабатываемой заготовки. При­хваты должны располагаться над опорами, а сила зажима не должна превышать значения, необходимого для надежного закрепления заготовки при конкретных действующих силах резания.

Общая погрешность ω_у установки заготовки в приспособлении определяет­ся по правилам суммирования случайных величин по формуле

где ω_б, ω₃, ω_пр — соответственно погрешности базирования и закрепления и по­грешность приспособления,

здесь ω_изг, ω_усп, ω_изн — соответственно погрешности изготовления приспособле­ния, установки на станок и износа его установочных элементов.

Погрешность настройки станка. Существует несколько подходов к обес­печению точности обработки, учитывающих погрешность настройки станка:

• пробные проходы;

• статическая настройка инструмента на станке или специальных приборах;

• измерения инструмента специальными устройствами на станке или спе­циализированных измерительных машинах с последующей привязкой коорди­натных систем станка и инструмента;

• настройка с обработкой пробных деталей.

Метод пробных проходов используется при обработке на универсальных станках с ручным управлением. Суть его состоит в том, что рабочий подводит инструмент к детали и обрабатывает сначала небольшой ее участок, измеряет полученный результат и на основе этого измерения по лимбу или системе инди­кации координат корректирует глубину резания. После того как положение ин­струмента откорректировано, обрабатывается вся поверхность.

При высокой точности установка на размер, повторяемая при обработке ка­ждой детали, оказывается весьма трудоемкой. Тем не менее в условиях мелкосе­рийного производства работа по пробным проходам является обычной, что объ­ясняется как нецелесообразностью при малых партиях деталей затрат времени на настройку станков, так и возможностью приспособления к индивидуальным особенностям каждой заготовки.

Статическая настройка имеет ряд преимуществ по сравнению с настрой­кой по пробным проходам:

• значительно сокращается время, особенно при многоинструментальной обработке;

• дает возможность настройки инструментальных блоков вне станков, что значительно сокращает простои, связанные с настройкой.

Этот метод является основным при настройке станков-автоматов, универ­сальных, обеспечивающих многоинструментальную обработку (сложные пере­ходы), агрегатных, станков с ЧПУ, гибких производственных модулей и обраба­тывающих центров.

Настройка может производиться по жестким и индикаторным упорам, с ис­пользованием щупов, координатно-измерительных систем контактного и бес­контактного типа, лазерных устройств.

Выбор того или иного способа статической настройки зависит от особенно­стей применяемого оборудования, экономической целесообразности, программы выпуска деталей, типа и формы инструмента.

Статическая настройка по эталонам выполняется для многоинструменталь­ных наладок, в частности револьверных станков и станков-автоматов токарного типа. Ее сущность состоит в том, что на место обрабатываемой заготовки на станок или специальное приспособление вне станка помещается обработанная деталь или эталон. Эталоны изготавливают из износостойкой закаленной стали с высокой точностью. Каждый инструмент устанавливается в требуемое положе­ние с использованием щупов толщиной 0,2... 1,0 мм. Использование щупов пре­дохраняет поверхности эталона и инструмента от повреждения при контакте. Кроме того, при непосредственном касании режущей кромкой поверхности эталона сложно уловить этот момент, что снижает точность настройки. При ис­пользовании щупа момент касания определяется более точно по закусыванию щупа.

Размер эталона для статической настройки рассчитывают по соотношениям:

(Первое соотношение применяется в тех случаях, когда не учитывают система­тических переменных факторов.Знак минус принимается при обработке вала, плюс — при обработке отверстия.)

Здесь А_ср— средний размер эталона, (А_max и A_min — размерыэталона, определяемые по допуску на устанавливаемый размер); ω_зак — состав­ляющая результирующей операционной погрешности, возникающей за счет влияния закономерно изменяющихся факторов; ∆_попр — поправка, рассчитывае­мая по формуле

(∆₁ — составляющая, учитывающая деформацию технологической системы от действия силы резания; при односторонней обработке ∆₁ = у, а при двусторонней ∆₁ = 2у; у — значение деформации); ∆₂ — поправка, учитывающая влияние ше­роховатости обработанной поверхности на измеряемый размер. При односто­ронней обработке ∆₂ = Rzа при двусторонней ∆₂ = 2Rz;∆₃ — поправка, учиты­вающая зазоры в шпинделе станка. Она имеет небольшое значение (0,01...0,03 мм) и определяется индивидуально для каждого станка; ∆₄ — поправка, учитываю­щая толщину щупа. При односторонней обработке ∆₂ = а_щ, а при двусторонней ∆₄ = 2а_щгде а_щ— толщина щупа.

Погрешность настройки по эталону со„ рассчитывается по формуле

где ω_э — погрешность изготовления эталона; ω_рег — погрешность установки режущего инструмента (регулирующего устройства).

Метод настройки по эталону менее точен, чем по результатам обработки пробной детали, но более производителен. Он особенно эффективен при на­стройке сменных инструментальных блоков вне станка.

Погрешности, возникающие при резании и являющиеся следствием износа инструмента и упругих деформаций технологической системы, учитывают при определении размеров эталона или подборе толщины щупа.

Статическая настройка по жестким и индикаторным упорам, а также с при­менением оптических проекционных и видеоустройств широко используется для отдельных инструментов (резцов, фрез, сверл). Обычно она выполняется наспециальных приборах (рис. 2.7, 2.8), на которых вручную добиваются определенного положения инструмента в резцовой головке или оправке и производя его закрепление. На наиболее современных и дорогих из них действия по настройке инструмента и его закреплению выполняются а втоматически.

Например, на приборах фирмы ZOLLER при настройке применяется авто­матическая установка инструмента на тре­буемый вылет с помощью штыря (рис. 2.9), проходящего через тело оправки. Для кре­пления инструмента используют принцип горячей посадки. С помощью специально­го индуктора производится нагрев оправ­ки, который сопровождается увеличением посадочного диаметра под инструмент. После установки последнего в требуемое положение выполняется охлаждение оп­равки, приводящее к зажиму инструмента.

Погрешность настройки инструментов для станков с ЧПУ при использовании спе­циальных приборов составляет ~0,002 мм.

Метод измерения инструмента спе­циальными устройствами на станке или специализированных измерительных ма­шинах с последующей привязкой коорди­натных систем станка и инструментапредназначен для обрабатывающих центров и гибких производственных моду­лей. Данный метод не предполагает точной настройки на размер. Она заменена определением размеров инструмента, результаты которого вводят в устройство ЧПУ и используют для коррекции положения инструмента при выполнении пе­ремещений по управляющей программе. Такие измерения могут выполняться на специализированных координатно-измерительных машинах контактного и бес­контактного типа, имеющих специальные измерительные головки, и устройст­вах, которые устанавливают непосредственно на станок или у магазина, исполь­зуемого в оборудовании с автоматической сменой инструмента (рис. 2.10).

Достоинством устройств, устанавливаемых на станки, является возмож­ность измерения износа инструмента и его учета при выполнении последующих переходов или операций, а также при отбраковке изношенного инструмента.

При настройке по пробной детали после изготовления первой детали на ос­нове определения ее размеров проводится коррекция положения инструмента. Поднастройку можно также осуществлять периодически по результатам измере­ния очередной детали.

П огрешность настройки в данном случае определяется выражением

где (ω_изм— погрешность измерения пробной детали; ω_рег — погрешность регулирования (поднастройки) положения режущего инструмента.

Погрешности, вызываемые короблением детали под воздействием внутренних напряжений, возникающих при обработке. Внутренние (остаточные) напряжения возникающие в результате технологического воздействия на материал заготовок (пластическая деформация, неравномерный нагрев), приводят к деформации детали вызывая погрешности формы и размеров. Они особо ощутимы при изготовлении маложестких и тонкостенных деталей. Для минимизации коробления использую мягкие режимы обработки, уменьшающие пластическую деформацию поверхностного слоя и его нагрев, а между операциями механической обработки предусматривают термический отпуск для снятия внутренних напряжений.