3.10. Теплові деформації в системі впід
Причини виникнення теплових деформацій елементів системи ВПІД. Похибки механічної обробки, що спричиняються тепловими деформаціями елементів системи ВПІД. Шляхи зменшення цих похибок.
В процесі
механічної обробки відбувається
нагрівання елементів системи ВПІД в
результаті впливу теплової енергії, що
виділяється в зоні різання, в приводах
і механізмах верстата через втрати на
тертя, також від теплової енергії
зовнішніх джерел. Це нагрівання спричиняє
пружні деформації в системі ВПІД і появу
похибки обробки
.
Тепловий стан системи ВПІД може бути стаціонарним і нестаціонарним. В першому випадку встановлюється теплова рівновага системи — підведення теплової енергії кількісно дорівнює її втратам і тому температура верстата, пристрою і різального інструмента постійна. До умов стаціонарного теплового стану наближені процеси обробки невеликих заготовок на попередньо розігрітих верстатах. Нестаціонарний тепловий стан спостерігається в період пуску верстата після його тривалої зупинки. Будь-який процес можна вважати нестаціонарним, якщо теплова енергія, яка виділяється під час різання, помітно нагріває заготовку.
Розподіл теплоти в процесі різання між стружкою, заготовкою та інструментом залежить від способу обробки, режимів різання, матеріалів оброблюваної заготовки та інструмента. Так, в процесі точіння (без охолодження) матеріалів з високою теплопровідністю (вуглецевих сталей, алюмінієвих і мідних сплавів) розподіл теплоти такий: в стружку 60…90%; в інструмент 3…5%; решта — в заготовку. Під час такої ж обробки матеріалів з низькою теплопровідністю (жаростійкі, титанові сплави) 35…45% теплоти переноситься в заготовку; 20…40% в інструмент; решта — в стружку. Найбільша кількість теплоти переходить в заготовку під час свердління (до 60%).
Теплові деформації верстата
Нагрівання станини, корпусних та інших деталей верстата відбувається внаслідок втрат на тертя в механізмах, гідроприводах і в електричних пристроях. Значна кількість теплоти передається деталям верстата від охолоджувальної рідини, яка відводить теплоту із зони різання.
Встановлено [6], що значний влив на точність остаточної обробки має нагрівання шпиндельних вузлів. Під час роботи верстата відбувається поступове розігрівання шпиндельного вузла і зміщення осі його обертання як в горизонтальній, так і у вертикальній площині. Це пояснюється тим, що під час роботи верстата різниця температур в різних місцях корпуса шпиндельної бабки може досягати 50° С. Зміщення шпинделя може складати 0,01…0,02 мм.
Теплові деформації верстата можуть бути суттєво зменшені вжиттям таких заходів [6]:
1) забезпечення постійності температурного поля в зоні розташування верстата завдяки:
- підтриманню в цеху потрібного температурного режиму;
- розміщенню верстатів для точної обробки в спеціальних термоконстантних приміщеннях;
2) зменшенню нерівномірного нагріву верстатів завдяки:
- винесенню внутрішніх джерел теплоти (електродвигунів, гідроприводів) за межі верстата;
- використанню спеціальних систем для підтримання заданої температури ЗОР і окремих частин верстата.
3) зменшенням впливу нерівномірних деформацій завдяки:
- раціональному вибору матеріалів деталей;
- спрямуванню температурних деформацій деталей верстата таким чином, щоб ці деформації не співпадали з напрямами точних розмірів:
- застосуванню пристроїв для компенсації температурних зміщень.
4) експлуатаційними заходами:
- установленням верстата в зоні найменшого впливу температурних полів;
- своєчасним регулюванням зазорів в підшипникових вузлах;
- проведення фінішної обробки точних деталей після досягнення верстатом стаціонарного теплового стану (після тривалих запинок верстат працює вхолосту протягом 20…30 хв.).
Теплові деформації інструмента
Деяка частина теплоти, що виділяється під час різання, переходить в різальний інструмент, нагріває його і змінює розміри. Під час токарної обробки найбільша частка похибки обробки, що зумовлена тепловими деформаціями системи ВПІД, спричиняється видовженням різців через їх нагрівання. На рис. 31 показані графіки, отримані проф. А. П. Соколовським за результатами точіння заготовок з легованої сталі твердосплавним різцем. Теплова рівновага встановлюється приблизно через 20…24 хв. роботи. В процесі обробки м’якої сталі теплова рівновага різця встановлюється через 12 хв. роботи.
Зі збільшенням швидкості різання, глибини різання і подачі інтенсифікується нагрівання і, відповідно, збільшується видовження різця.
За умови ритмічної роботи теплові деформації заготовок постійні (рис. 31). З відсутністю ритмічності теплові деформації окремих заготовок різні. Це може спричинити розсіювання їх розмірів.
Нагрівання різальних інструментів під час фрезерування, обробки вінців зубчастих коліс та інших операціях, виконуваних з достатнім охолодженням, значно менше впливає на точність обробки, ніж нагрівання токарних різців.
Теплові деформації заготовки
Окрім теплових деформацій верстата та інструмента на точність обробки впливають також теплові деформації оброблюваних заготовок.
Нагрів крупногабаритних заготовок під час механічної обробки незначний і, відповідно, його впливом на точність обробки можна знехтувати, особливо за малих розмірів оброблюваних поверхонь.
Теплові деформації тонкостінних заготовок за відносно великих розмірів оброблюваних поверхонь можуть бути співставними із допусками, які відповідають 7 квалітету точності. Вплив теплових деформацій на точність зростає під час обробки внутрішніх поверхонь, коли поглинання тепла заготовкою збільшується.
Помітні теплові деформації заготовок можуть виникати в процесах односторонньої обробки довгих заготовок типу рейок, планок, а також пластин і плит.
Теплові деформації заготовок можуть бути зменшені завдяки:
- підведенню достатньої кількості ЗОР в зону різання;
- підвищенню швидкості різання, в результаті чого більша частка теплоти відводиться в стружку;
- охолодженням заготовок достатнім витримуванням на транспортувальних пристроях або в тарі.
Повну похибку обробки, що спричиняється тепловими деформаціями, зазвичай визначити не вдається. Тому, згідно з [13], для операцій точної обробки лезовими інструментами похибка, що спричиняється тепловими деформаціями системи ВПІД наближено приймають рівною
,
а для шліфування
.
Якщо в системі ВПІД встановився стаціонарний тепловий стан, то похибка є систематичною постійною похибкою. Якщо ж система ВПІД перебуває в нестаціонарному тепловому стані, то похибка є систематичною похибкою, що закономірно змінюється.