Забезпеченняточності механічної обробки шляхом настроювання технологічних систем
1. Методи настроюваннятехнологічних систем
Сучасний стан розвитку теорії технологіїмашинобудування дає можливість при розробці технологічного процесу заздалегідьрозрахувати очікувану точність та ймовірну кількість браку при різних варіантахтехнологічного процесу, розв’язати задачу керування точністю, тобто знизитипохибки до рівня лімітованого креслення та ТУ.
Задача керування точністю обробки і зниженняїї похибок розв’язується за декількома напрямками:
1)точніснірозрахунки і здійснення первісного настроювання верстатів, які забезпечуютьмінімальні систематичні похибки, що пов’язані з настроюванням, а такожреалізація найбільшого періоду роботи верстатів без піднастроювання;
2)розрахунки режимів різання ізврахуванням фактичної жорсткості технологічної системи, при яких забезпечуєтьсяпотрібне уточнення заготовок в процесі їх обробки;
3)точне керування (ручне, автоматичне)процесом обробки та своєчасне піднастроювання верстатів.
В цей же час застосовуються такі методинастроювання верстатів:
· статичненастроювання;
· настроюванняза пробними заготовками за допомогою робочого калібру;
· настроюванняза пробними заготовками за допомогою універсального вимірювального інструмента.
2.Статичне настроювання
Метод статичногонастроювання полягає у встановленні різальних інструментів по різних калібрах іеталонах на нерухомому верстаті.
Для скорочення часу настроюваннявстановлюється інструмент по деталі – еталонові або спеціальному калібру, якірозташовуються на верстаті на місці оброблюваної заготовки. Інструментдоводиться до стикання з поверхнею калібра і закріплюється. Одночасно встановлюютьсявідповідні упори. При настроюванні верстата для обробки площин заготовок зточними розмірами за установчого калібр часто використовується набір мірнихплиток. У ряді випадків для встановлення інструмента застосовуються спеціальніустановчі пристрої з індикаторними пристосуваннями.
При статичному настроюванні верстата у зв’язкуз деформаціями в пружній технологічній системі, які залежать від дії силрізання, температурного режиму системи та інших факторів, розміри оброблюваноїзаготовки виявляються більшими (для охоплюваних поверхонь) чи меншими (для охоплюючихповерхонь) від потрібних, тому при виготовленні калібрів на їх розміривводяться поправки.
При настроюванні за еталоном настроювальнийрозмір визначається за формулою:
/> />,
/>
розмір заготовки,який повинен бути фактично отриманий після обробки;
Δпопр = Δ1 + Δ2 + Δ3
поправки нарозмір еталона (див. вище).
Як показує досвід, похибки визначення самоїпоправки досягає 50 % її значення. Це не дає можливості настроювати розміри зточністю вище 8–9-го квалітетів.
Незважаючи на врахування поправки на практицідоводиться вводити ще поправку на динаміку процесу. Це – недолік цього методу.Але, незважаючи на це, він все ж таки широко застосовується при налагодженнібагаторізцевих автоматів та верстатів з ЧПК завдяки таким його перевагам, як:
· значнескорочення часу налагодження технологічної системи;
· можливістьпроводити настроювання поза верстатом та ін.
3.Настроювання за пробнимизаготовками та за допомогою робочого калібру
При настроюванні технологічної системи задопомогою робочого калібру вважається, що якщо розмір знаходиться в межахдопуску, передбаченого робочим калібром, то настроювання виконане вірно. Це незовсім так, оскільки крива розсіювання, до якої належить розмір пробноїзаготовки, може займати в середині поля допуску різні положення, і привиготовленні однієї пробної заготовки неможна визначити, якій ділянці полярозсіювання вона відповідає.
Так, наприклад, точки А і В (рис. 1) можутьналежати кривим 1 і 2, розташування яких виключає можливість появи браку, алеможуть також належати і кривим 1а і 2а, які виходять за межі допуску і зв’язаніз появою великої кількості браку (заштриховані ділянки).
/>
Рис. 1 Можливі положення кривих розподілу розміріввідносно поля допуску при 6σ ≤ Т
При збільшенні кількості пробних заготовокймовірність появи значного браку знижується.
Для виключеннянебезпеки появи браку у випадку, коли поле допуску перевищує поле розсіювання,тобто Δр
Методом настроювання верстатів за робочимкалібром при невеликій кількості пробних заготовок цю задачу розв’язати неможна.
Більш раціональним є метод настроюванняверстатів за допомогою універсальних вимірювальних інструментів за звуженимидопусками.
4.Настроювання за пробними заготовкамита за допомогою універсального вимірювального інструменту
Сутність цьогометоду настроювання верстатів полягає в тому, що встановлення різальних інструментіві упорів верстата проводиться на певний робочий налагоджувальний розмір Ан, а правильність настроюваннявстановлюється обробкою якоїсь кількості пробних заготовок. Настроюванняпризнається правильним, якщо середнє арифметичне розмірів пробних заготовокзнаходиться в межах якогось допуску Тн на настроювання.
Задачеюрозрахунку настроювання в цьому випадку є визначення поля допуску настроювання Тн.
Теоретичними передумовами цього методунастроювання, запропонованого професором А.Б. Яхіним,є наступні положення теорії ймовірності.
Якщо є якась сукупність (партія) заготовок,розподіл розмірів яких підкоряється закону нормального розподілу Гаусса ізсереднім квадратичним σ, і якщо цю сукупність заготовок поділити на групипо m штук і визначити середнє арифметичне значеннярозмірів в середині кожної з цих груп, то розподіл розмірів групових середніхАгр.сер. теж буде підкорятись закону Гаусса із середнім квадратичним:
/> (1)
При цьому центр групуваннягрупових середніх збігається з центром групування розмірів усієї партіїзаготовок (рис. 2).
/>
Рис. 2 Розподіл розмірівпартії заготовок з середнім квадратичним σ і розподіл групових середніх зсереднім квадратичним σ1 = />
Нехтуючизношуванням інструмента, можна вважати, що середнє арифметичне розмірів m пробних заготовок може відрізнятисьвід середнього арифметичного усієї сукупності (партії) заготовок не більше ніжна />
Розрахунокнастроювання без врахування змінних систематичних похибок.
Якщо центргрупування розмірів пробних заготовок розташовується по відношенню до граничнихрозмірів партії заготовок ближче, ніж на відстані 3σ (точка М на рис. 3,а), то частина загальної кривої розсіювання розмірів обробленої партіїзаготовок може вийти за межі допуску і виникає небезпека появи браку. Навітьякщо ця відстань трохи більша 3σ(точка М на рис. 3, б), то брак оброблених заготовок можливий, оскільки точка Мможе належати кривій групових середніх, центр групування яких (а отже, і центргрупування розмірів усієї партії заготовок) зміщений на величину Р вліво (рис. 3,б) від потрібного положення кривої, яке виключає можливість браку.
/>
Рис. 3 Випадки можливого браку при 6σ
Брак неможливий тільки в тому випадку, колимінімальний розмір групових середніх пробних заготовок, який визначає положенняточки М (рис. 4) задовольняє умові:
/> (2)
/>
Рис. 6.10 Вірненастроювання верстата, яке виключає можливість браку
Очевидно, що притакій умові навіть в тому випадку, коли центр групування групових середніхрозташовується на відстані /> лівіше точки М, він лежить навідстані від границі найменшого граничного розміру заготовки на величину 3σ і брак неможливий. Аналогічно сказаному:
/>(3)
Різниця граничних значень групових середніхрозмірів визначає величину допуску настроювання, тобто:
/>
Очевидно, щодопуск настроювання Тн виражається формулою:
/> (4)
і залежить відзагального допуску на обробку партії заготовок та від кількості m пробних заготовок.
Збільшеннякількості пробних заготовок дозволяє розширити допуск настроювання Тн і полегшити процес настроювання, алеце веде до зростання часу обробки.
У загальному випадку:
m >[6σ/(T – 6σ)]2 (5)
За даними професора А.Б. Яхіна,кількість пробних заготовок може бути прийнята від двох до восьми. Подальше їх збільшеннянеефективне.
Умову обробкизаготовок без браку за відсутності впливу систематичних похибок із врахуваннямрівняння (4) можна представити у вигляді формули:
/> (6)
В загальномувипадку, коли систематичні похибки чинять суттєвий вплив на точність обробкизаготовок, умова обробки заготовок без браку набуває вид:
/> (7)
Необхідно відмітити,що введена в вирази (4)–(6) величина допуску настроювання Tн не збігається з похибкоюнастроювання Δн. На рис. 4 показано, щопохибка настроювання, яка визначається за формулою:
/> (8)
визначає відстаньміж крайніми допустимими положеннями вершин кривих при настроюванні.
Допуск Тн настроюванняпредставляє собою дозволене коливання значень групових середніх, якевикликається похибками регулювання та вимірювання, і є частиною загальноїпохибки настроювання.
В залежності від похибок регулювання тавимірювання допуск настроювання можна визначити за формулою:
/> (9)
Як виходить зрис. 4 формул (8) і (9), допуск Тн на настроювання менший загальної похибки Δннастроювання на величину />, яка представляє собою полеймовірного зміщення положення вершини кривої розсіювання розмірів груповихсередніх пробних заготовок.
Розглянутий метод розрахунку настроюванняверстатів застосовується при обробці точних заготовок, коли поле допускунесуттєво перевищує розсіювання розмірів, що робить неможливим передбачитизаздалегідь компенсацію змінних систематичних похибок обробки (наприклад,зношування інструмента). Цей метод можна приймати також при обробці заготовок,коли зношування інструменту несуттєво (наприклад, при алмазній обробцікольорових сплавів), а також при обробці невеликих партій заготовок, коли зношуваннярізального інструменту в середині оброблюваної партії настільки невелике, що неможе суттєво впливати на точність обробки. У всіх цих випадках задачанастроювання верстата зводиться до забезпечення суміщення вершини кривоїфактичного розподілу розмірів із серединою поля допуску, тобто:
М(х) = М(с).
При цьому настроювальний розмір визначається завиразом:
/> (10)Розрахунокнастроювання із врахуваннямзмінних систематичних похибок.
У процесі обробки великих партій заготовок,коли процес супроводжується інтенсивним зношуванням різального інструменту, принастроюванні виникає задача найбільш раціонального розташування кривоїрозсіювання у полі допуску з метою використання значної частини цього поля длякомпенсації змінних систематичних похибок обробки. Таким чином вдаєтьсязбільшити термін роботи верстата без піднастроювання, а отже, й підвищитипродуктивність.
На рис. 5наведена схема раціонального настроювання верстата для забезпечення заданоїточності охоплюваного розміру. Із рисунка видно, що деяка частина Тн загального поля допуску Твикористовується для компенсації похибок настроювання (Тн = Δн), які визначаються за формулою (9).
/>
Рис. 5Налагодження верстата із врахуванням змінних систематичних похибок
Друга частиназагального поля допуску призначається для компенсації випадкових похибок, яківикликають розсіювання розмірів. Як вказувалося раніше, вона визначаєтьсявеличиною:
/>
Решта взагального поля допуску використовується для компенсації похибок, якіпороджуються сукупною дією систематично діючих факторів, постійних за величиноюі змінюваних у часі за певними законами (наприклад, зношування різальногоінструменту).
У процесі обробкипартії заготовок у зв’язку із зношуванням різального інструменту відбуваєтьсязміна положення кривої розсіювання. Після обробки деякої кількості n1 заготовок крива розсіюваннярозмірів заготовок перетинає лінію найбільшого граничного розміру і виникаєнебезпека появи браку. В цей момент потрібно провести піднастроювання верстата,при якому крива розсіювання повернеться вниз у своє початкове положення, якебуло створене початковим настроюванням.
При такому настроюванні, очевидно, не можнавизначати настроювальний груповий середній розмір за величиною середньогоарифметичного, а необхідно обчислити його за значеннями граничних розмірів.
Щоб уникнутиодержання при обробці заготовок з розмірами менше Amin, необхідно (рис. 6.11), щоб мінімальне значеннягрупового середнього розміру задовольняло умову:
/> (10)
За наявностісуттєвого впливу змінних систематичних похибок, які зменшують розміриохоплюваних заготовок (наприклад, при значному видовженні різця від нагріванняу початковий період різання), у формулу (10) необхідно додатково ввести можливувеличину похибки а, тобто:
/> (11)
В багатьохвипадках обробки заготовок (особливо за наявності охолодження) значення а дуже мале, і розрахунок найменшогоналагоджувального розміру провадять за формулою (10).
Формула длярозрахунку максимального значення групового середнього розміру (із врахуваннямчастини допуску в, який використовується длякомпенсації змінних систематичних похибок) має вигляд:
/> (12)
Допуск на настроювання визначається різницеюграничних значень групових середніх розмірів:
/>
і після перетвореньприводиться до вигляду:
/> (13)
Отже, призбільшенні Тн з метою спрощення таприскорення настроювання за інших рівних умов доводиться скорочувати величину в, що призводить до зростаннякількості необхідних піднастроювань і знижує продуктивність операції.
У зв’язку з цим розширення поля допуску нанастроювання звичайно доцільно за умови зміни інших факторів, що входять унаведений вираз, зокрема при розширенні загального поля допуску Т чи зменшеннірозсіювання 6σ.
Збільшення Тн краще робити за рахунок збільшення Тта зменшення 6σ.
Одержана формула(13) відрізняється від виразу (4) тим, що при врахуванні змінних систематичнихпохибок допуск на настроювання Тнзменшується на величинув, призначенудля компенсації впливу цих похибок на точність розмірів.
/>
Рис. 6Настроювання верстата для обробки з ймовірним браком, яке враховує похибкинастроювання: а – брак, який може бутивиправлений; б – брак, який може бутивиправлений і невиправлений
При розрахункунастроювання верстата для випадку обробки вала із врахуванням зміннихсистематичних похибок зручно дотримуватись наступної послідовності:
1)за формулою (10) визначається />;
2)за формулою (13) обчислюєтьсямінімально необхідна для умов даної операції величина Тн;
3)значення /> визначається за формулою:
/>=/>+ /> (14)
4)частина допуску />, призначена длякомпенсації зношування інструменту, визначається з формули (13) заспіввідношенням:
/>
При заданому в значення /> знаходиться з виразу (12).
Якщо умова (7) обробки заготовок без браку невиконана і сума випадкових і систематичних похибок виявляється більшою полядопуску, тобто:
/>
то при обробці заготовок можливий брак.
За відсутності можливості підвищити точністьоперації, настроювання верстата необхідно проводити з таким розрахунком, щободержаний брак був виправним при подальшій обробці заготовок (рис. 6, а).
Якщо виправити брак неможливо, настроюванняверстата необхідно проводити із врахуванням одержання мінімальної кількостіможливого остаточного браку (рис.6, б).
Кількістьможливого браку в цьому випадку визначається за формулами (6.16)–(6.20). Прицьому хо обчислюється за формулою:
/>
Рішення пронастроювання верстата з чітко технічно можливим виправним чи невиправним бракомможна прийняти тільки на основі точного розрахунку економічної доцільностіданого варіанта обробки.
5.Настроювання металорізальногообладнання на заданий рівень
механічнийметалорізальний інструмент калібр
Теоретичні положення про настроюванняверстатів, що наведені у попередніх пунктах, в умовах реального виробництвазастосовуються за допомогою діючих стандартів.
За державним стандартом рівень настроювання(розрахунковий настроювальний розмір) визначається зі схем, наведених на рис.6.13 та 6.14.
/>
Рис. 7 Розрахункова схема для визначення рівнянастроювання X0
при обробці деталей типу валів
При зміщенні у процесі обробки рівнянастроювання до максимально допустимого розміру (рис. 7)рівень настроювання визначається за формулою:
/>
де Δс – допустиме зміщення рівнянастроювання у процесі обробки.
При зміщенні у процесі обробки рівнянастроювання до мінімального допустимого розміру (рис. 8)рівень настроювання визначається за формулою:
/>
/>
Рис. 8Розрахункова схема для визначення рівня настроювання X0 при обробці поверхонь типу отворів
Зміщення рівнянастроювання Δс є аналогом запасу полядопуску в у формулі (13), призначеного для компенсації впливу зміннихсистематичних похибок.
Величина Δсрозраховується виходячи з припущення, що вона взагалі обумовлена розмірнимспрацюванням різального інструменту.
Тоді при точінні:
/>
при торцевому фрезеруванні:
/>
де N – число деталей в партії;
d, L, B – розміри поверхонь, мм;
S, Sn– подача, мм/об;
io – інтенсивність зношуванняінструменту, мкм/км.
Якщо розрахунковавеличина Δc виявляєтьсядуже великою і не залишається достатнього допуску на настроювання, то діють утакій послідовності:
1)визначають достатній допуск нанастроювання Тн, виходячи з досвіду (2–3поділки шкали вимірювального інструменту, що застосовується при настроюванні);
2)визначають поле розсіювання розмірівверстата (6σ) на якому буде проводитись обробка;
3)приймають фіксоване число пробнихзаготовок m;
4)знаходять величину />;
5)розраховують реальний запас полядопуску розмірів заготовок на зношування різального інструменту Δc = в;
6)уточнюють розміри оброблюванихповерхонь, режими різання та інтенсивність зношування інструменту;
7)розраховують число заготовок, якіможна обробити без піднастроювання технологічної системи, і дають відповіднівказівки у карті налагодження верстата.
Для точіння такий розрахунок виконується занаведеними нижче формулами.
Розмірне зношування інструменту на однійзаготовці дорівнює:
/> мкм
Запас поля допуску на розмірне зношуваннярізального інструменту рівне:
/> мкм
Допустимерозмірне зношування інструмента у межах Δс:
/> мкм
Число заготовок, які можна обробити безпіднастроювання технологічної системи, дорівнює:
/>
Величина n округляється до найближчого меншогоцілого числа.
Література
1.Балакшин Б.С. Основы технологии машиностроения. – М., 1969. – 559 с.
2.Бондаренко С.Г. Розмірні розрахунки механоскладального виробництва. –К. 1993. – 544 с.
3.Корсаков В.С. Основы технологии машинобудування. – М., 1977. –415 с.
4.Косилова А.Г., Мещеняков Р.К. Справочник технолога-машиностроителя. Т. 1. – М., 1985. – 655 с.; Т. 2. – М., 1986. – 496 с.
5.Маталин А.А. Технология машиностроения. – Л. – М., 1985 – 496 с.
6.Руденко П.А. Теоретические основы технологии машиностроения: Конспект лекций. – Чернигов, 1986. – 258 с.
7.Сборник задач и упражнений по технологии машиностроения / В.А. Аверников, О.А. Горленко, В.Б. Ильецкий и др. / Под общ. ред. О.А. Горленко – М., 1988. – 192 с.
8.Справочник технолога машиностроителя / Под ред. А.Н. Малова. Т. 2. – М., 1986. – 446 с.