Модель формирования технологического размера и его погрешности

Содержание

1. Модель формирования технологического размера и его погрешности…………2
2. Источники появления погрешности установки и пути ее уменьшения……………8
3. Источники погрешности статической настройки и пути ее уменьшения………13
4. Источники погрешности динамической настройки и пути ее уменьшения…..20
5. Список литературы……………………………………………………………………………………………22

1. Модель формирования технологического размера

 и его погрешности

Весь процесс однопереходной обработки в одной технологической системе условно можно разбить на три этапа: установку, статическую настройку и динамическую настройку. Каждый из этих этапов представляет собой законченную часть обработки, независимую от других. Эти части, как правило, выполняются последовательно во времени, в порядке приведенного их перечисления, иногда установка и настройка меняются местами (например, при обработке партии деталей с одной настройки) или совмещаются во времени. Но последовательность выполнения этапов не меняет их сущности и роли в процессе формирования получаемого после обработки технологического размера.

Рассмотрим содержание и роль этапов в образовании технологического размера на примере фрезерования плоскости, положение которой на призматической детали задано размерами AК и αК (рис. 7.1., а).

Итак, первый этап – это  установка. Под установкой понимают часть технологической операции, включающей действия, направленные на введение заготовки в кинематические и размерные цепи ТС, а также на придание ей определенного положения.

Содержание первого этапа полностью описывается теорией базирования. Установка состоит из базирования и закрепления. Достигнутое положение заготовки относительно выбранной системы координат описывается размерами установки Ау – расстояние и αу – относительный поворот фактически достигнутого положения технологической базы заготовки относительно ее требуемого положения.

Рис. 7.1. Схемы формирования технологического размера

В партии устанавливаемых заготовок размеры установки получают рассеяние по некоторому полю, которое называют погрешностью установки.

Этот краткий экскурс в теорию базирования для примера на рис. 7.1 означает, что необходимо разработать схему базирования заготовки так, чтобы конструкторские размеры AК и αК оказались бы и технологическими. Такая схема базирования приведена на рис. 7.1,б. Поверхности технологической базы заготовки материализуют ее собственную систему координат Х1О1Y1Z1 .

В качестве выбранной системы координат используем систему XOYZ, построенную на исполнительных поверхностях установочных элементов  приспособления (рис. 7.1, в). При базировании доводим до контакта в опорных точках 1 – 5 технологические базы заготовки с исполнительными поверхностями установочных элементов приспособления. Достигнутое при этом положение фиксируем силовым замыканием силой – зажима Q. В идеале этих процессов – совмещение системы координат заготовки Х1О1Y1Z1 и приспособления XOYZ, однако в силу ряда причин, рассмотренных в теории базирования, такого совмещения не происходит и между соответствующими координатными плоскостями в каждом координатном направлении образуются размеры установки. Эта ситуация для координатного направления Z, в котором предстоит  получить   на  детали  размеры   АТ =  АК     и  αТ  =  αК , приведена    на рис. 7.1,г.

Таким образом, в результате выполнения этапа установки в технологической системе формируются размеры установки Ау и αу. Конечно же, при установке партии заготовок эти размеры получат рассеяние, и поля их рассеяния называют погрешностями установки ωАу и ωαу, в общем случае обозначаемые ωу.

Второй этап - статистическая    настройка. Под статической настройкой понимают совокупность действий, направленных на придание режущим кромкам рабочего инструмента определенного начального положения в неработающей (находящейся в статическом состоянии) технологической системе.

 Положение режущих кромок инструмента определяется относительно тех же исполнительных поверхностей приспособления (или станка), которые использовались на этапе установки для определения положения заготовки, т.е. относительно плоскостей координатной системы XOYZ.

В примере на рис. 7.1,д  положение инструмента в координатном направлении Z в статическом состоянии технологической системы определено размерами Асн и αсн относительно исполнительных поверхностей установочных элементов приспособления. Такие размеры называют размерами статической настройки. Для формирования этих размеров в технологической системе горизонтально-фрезерного станка необходимо установить на шпиндель с помощью инструментальной оправки дисковую фрезу и вертикальными перемещениями стола вместе с установленным на нем приспособлением регулировать размер Асн. Размер αсн регулировке не поддается и формируется методом взаимозаменяемости после установки фрезы на шпиндель. Из описания действий, выполняемых при однократном осуществлении статической настройки, следует, что размеры Асн и αсн формируются с некоторыми отклонениями от заданных их значений, а при повторах процесса (например,в случаях замены затупившихся инструментов) размеры Асн и αсн претерпевают рассеяние в некоторых пределах. Образующиеся поля рассеяния ωАсн и ωαсн называют погрешностями статической настройки, в общем случае обозначаемыми ωсн.

Третий этап – динамическая настройка. Динамическая настройка –  это собственно обработка, т.е. непосредственное взаимодействие режущих кромок инструмента с материалом заготовки. В результате этапа создается на детали новая поверхность, заданная конструктором.

 Взаимодействие режущих кромок инструмента с материалом заготовки сопровождается всей совокупностью явлений, присущих процессу резания: возникают силы резания, действующие на инструмент и заготовку, выделяется тепло пластической деформации стружки и трения инструмента об обрабатываемую поверхность, инструмент изнашивается и затупляется и т.д. В результате всех этих процессов изменяется взаимное положение заготовки и инструмента, достигнутое в статическом состоянии технологической системы на первых двух этапах. В примере на рис. 7.1,е под действием составляющей силы резания Ру инструмент перемещается в результате упругих деформаций вверх, а заготовка –  вниз, в результате чего размер Асн получает приращение. Размер Асн получает приращение также по мере износа режущей кромки инструмента, тепловых деформаций заготовки и т.д.

Все эти изменения взаимного положения заготовки и инструмента можно придать инструменту, сохранив мысленно положение заготовки и других частей технологической системы, которые они имели в статике. Тогда результат этих изменений можно описать размерами Адн и  αдн, которые определяют положение режущей кромки инструмента во время обработки относительно положения этой же кромки в статике (см. рис. 7.1,е). Эти мысленно сконструированные размеры называют размерами динамической настройки, и они позволяют достаточно удобно провести анализ причин, вызывающих изменения взаимного  положения заготовки и инструмента и их роль в формировании технологического размера на детали.

Ясно, что размеры Адн и αдн не сохраняют свою величину даже при обработке одной заготовки, тем более в партии заготовок. Из теории резания известно, что, например, сила Ру пропорциональна припуску и твердости материала, а эти величины ни на одной заготовке, ни в партии заготовок не являются константами. При затуплении инструмента сила Ру существенно возрастает (до 30% первоначальной величины). Ясно, что переменная величина силы Ру вызовет в технологической системе  различные по величине упругие перемещения инструмента и заготовки. Распределение потоков тепла в технологической системе  не сохраняется во времени и пространстве, что также приводит к колебаниям размеров А и αдн. Поля рассеяния ωАдн и ωαдн размеров Адн и αдн называют погрешностями динамической настройки и обозначают в общем случае ω дн .

В результате выполнения всех трех этапов получаем обработанную деталь с технологическими размерами АТ и αТ . Из схемы на рис. 7.1,ж видно, что эти размеры образуют вместе размерами Aу, Aсн, Aдн и αу ,αсн, αдн замкнутые контуры. Эти замкнутые контуры отвечают определению размерной цепи, так как размеры Ау, Асн, Адн и αу ,αсн, αдн образуются в технологической системе в разное время и независимо друг от друга и каждый из них участвует в решении поставленной технологической  задачи:  создание  на  готовой  детали  размеров АТ = АК и αТ = αК, Эти размерные цепи и представляют собой модели формирования технологических размеров. На основании теории размерных цепей:

                         АТ  = ξу Ау + ξсн Асн + ξдн Адн,

          αТ = ξуα у + ξсн αсн  + ξдн αдн                                            (7.1)

                         ωАТ  = ω Ау + ω Асн + ω Адн,

            ωαТ = ωα у + ω αсн  + ω αдн                                             (7.2)

или в общем виде:

          ωАТ  = ωу + ωсн + ωдн,                                       (7.3)

т.е. погрешность технологического размера при обработке есть сумма погрешностей установки, статической и динамической настроек. Из (7.3) следует, что повышения точности обработки, т.е. уменьшения погрешности технологического размера, можно добиться, уменьшая погрешности установки, статической и динамической настройки. Ясно, что наибольшего эффекта можно добиться при уменьшении всех трех слагаемых. Для реализации этих идей необходимо знать причины появления погрешностей ωу , ωсн , ωдн и возможные меры воздействия на их величину.

2. Источники появления погрешности установки

и пути ее уменьшения

Существенно снизить погрешность установки можно повышением точности технологической базы. Эту идею можно реализовать несколькими способами. Если речь идет об установке в приспособление, то при выборе технологической базы для чистовых операций следует использовать наиболее точно обработанные поверхности. Если этого не удается сделать, достаточно часто идут на назначение особых технологических допусков и требований к поверхностям технологической базы, значительно более жестких, чем конструкторские. Например, широко распространена схема базирования корпусных деталей на плоскость и два отверстия, оси которых перпендикулярны к ней (см. пример на рис. 6.18 в главе 6). Обычно в конструкции корпусов такие отверстия –  крепежные, конструкторские требования к точности их диаметров и межосевых расстояний невысоки. Для снижения погрешностей установки два отверстия выделяются, к их точности и к их взаимному расположению предъявляют повышенные требования, вводятся дополнительные технологические переходы для их обработки, совсем не нужные с точки зрения служебного назначения детали.

Для черновых же (первых) операций следует использовать такие поверхности, которые в процессах заготовительного производства могут быть или получаются наиболее точными. Рекомендуется поэтому использовать в качестве черновых технологических баз  поверхности, параллельные плоскостям разъема штампов или литейных форм, так как они не имеют штамповочных или литейных уклонов и не несут на себе следов разъема в виде заусенцев. Поверхности  технологической базы  должны быть нижними при заливке формы, чтобы исключить влияние пор, раковин, напусков, характерных для поверхностей, верхних при заливке.

При установке с выверкой точность технологической базы  –   это точность поверхностей, по которым ведут выверку. Если измерение достигнутого положения заготовки ведется по реальным поверхностям, то все вышесказанное относится и к этому случаю. При использовании же в качестве технологической базы  разметочных рисок точность технологической базы  полностью определяется точностью разметки. Точность разметки зависит от качества разметочных инструментов (кернов, чертилок и т.п.), точности используемых мерительных инструментов и, конечно же, от квалификации разметчика.

Погрешность состояния выбранной системы координат ωВБ=φ(ωизг,ωизн) можно уменьшить, действуя в двух направлениях: применением станков и приспособлений более высокой точности и снижением влияния износа исполнительных поверхностей станков и установочных элементов приспособлений. Что касается износа, то для уменьшения его влияния следует ограничить

величину допустимого износа. Это предполагает систематический контроль состояния станков и приспособлений, своевременный их ремонт. Для увеличения межремонтных периодов при жестких допусках на износ следует применять для изготовления установочных элементов износостойкие материалы вплоть до твердых сплавов, а также специальные методы термического и химико-термического упрочнения исполнительных поверхностей.

Погрешность от неопределенности базирования. Кардинальным направлением уменьшения влияния погрешности от неопределенности базирования ωНБ является исключение из схемы базирования этого явления. Если же по каким-то причинам исключить неопределенность базирования нельзя, то следует ограничить минимальные гарантированные зазоры в подвижных соединениях, в пределах которых и оказывается неопределенным положение заготовки. Если же установка осуществляется с выверкой, то для снижения неопределенности следует применять контрольно-измерительный инструмент более высокой точности. При выверке по разметке на погрешность ωНБ  оказывает влияние толщина разметочных рисок и линий, в пределах которой положение заготовки оценивается как достигнутое. С этой точки зрения следует повышать качество разметки за счет применения более точных разметочных инструментов. Большое влияние на результат выверки оказывает и квалификация станочника, поэтому ее повышение следует признать средством снижения составляющей ωНБ  погрешности установки.

Погрешность закрепления. Уменьшение погрешности закрепления ωЗ можно добиваться в двух направлениях: 1) уменьшением величины упругих деформаций в заготовке и в опорных точках и 2) ограничением колебаний величины силы Q, осуществляющей силовое замыкание.

Величину упругих объемных деформаций заготовки можно уменьшить правильным выбором точек приложения сил Q. Следует выдерживать условие, чтобы сила Q с вызванными ею реакциями в опорных точках не создавала изгибающих моментов, объемно деформирующих заготовку (см. пример на рис. 7.4). Для уменьшения упругих контактных деформаций необходимо направлять силу Q на тот установочный элемент, с которым заготовка имеет наибольшую поверхность контакта; применять высокопрочные материалы для изготовления установочных элементов приспособлений; повышать качество исполнительных поверхностей установочных элементов (прежде всего, снижать их шероховатость).

Рис. 7.4. Влияние расположения точек приложения сил зажима на объемную деформацию заготовки   

Ограничение колебаний величины сил зажима Q в приспособлениях добиваются применением механизированного привода (пневматического, гидравлического, электрического и т.д.) взамен ручного. При использовании ручных зажимов (что характерно для индивидуального и мелкосерийного производств) снижения колебаний сил зажима Q можно добиться применением специальных тарированных ключей.

Пути и меры уменьшения погрешности установки заготовок приведены в таблице. 7.1.

Таблица 7.1.

Возможности уменьшения погрешности установки

3. Источники погрешности статической настройки

 и пути ее уменьшения

Для    выявления    возможных    источников     появления погрешности     статической          настройки          необходимо проанализировать   и   описать   процесс   формирования  размера статической    настройки.    Этот    размер    описывает    взаимное положение   исполнительных    поверхностей    инструмента    и приспособления в подготовленной к работе (собранной) технологической системе и, следовательно, должен быть  замыкающим звеном в некоторой размерной цепи, составляющими звеньями которой будут размеры отдельных    элементов    этой    технологической системы.    Таким    образом,    процесс формирования    размера    статической    настройки    в    каждой конкретной технологической системе  может и должен быть описан соответствующей размерной цепью, и   согласно теории размерных цепей, каждое составляющее  звено  этой цепи укажет независимый  источник погрешности замыкающего звена.

Любой металлорежущий станок имеет в своей конструкции механизмы, которые позволяют устанавливать режущие кромки инструмента в направлении получаемого линейного размера  на требуемом расстоянии от исполнительных поверхностей станка или приспособления. Поэтому достижение точности размера статической настройки на линейный размер всегда осуществляется по методу регулирования подвижным компенсатором. Точность же угловых размеров статической настройки (параллельность, перпендикулярность) всегда достигается методами полной или частичной взаимозаменяемости, так как станки не имеют устройств для изменения углового положения своих исполнительных поверхностей или исполнительных поверхностей приспособления для установки заготовки. Не имеют, как правило, таких устройств и приспособления для установки заготовок. Поэтому достижение требуемой точности угловых размеров – всегда более сложная и трудная задача по сравнению с достижением точности линейных размеров.

Для иллюстрации рассмотрим пример на рис. 7.5, где приведены размерные цепи статической настройки на размер Асн и относительный поворот αсн технологической    системы    для    фрезерования    плоскости    на заготовке, контуры которой нанесены пунктирными линиями.

Рис. 7.5. Размерные цепи статической настройки технологической системы

вертикально-фрезерного станка

Размер Aсн от плоскости исполнительных поверхностей установочных элементов приспособления до вершины зуба фрезы формируется в технологической системе  при подъеме стола станка до контакта вершины зуба со щупом, положенным на установ приспособления. Тогда Асн = БΔ – замыкающее звено размерной цепи, составляющие звенья которой Б1 - размер приспособления между плоскостью исполнительных    поверхностей    установочных    элементов    и плоскостью установа;  Б2 –  размер щупа. Из размерной цепи:

ωАсн= ω БΔ = ωБ1 + ωБ2,

Это   уравнение   показывает   источники   погрешности   ωАсн     и описывает формирование ее величины. По физическому смыслу ωБ1 – неточность изготовления приспособления; ωБ2  – погрешность измерения, вызванная неточностью изготовления мерителя-щупа и неточностью определения момента контакта зуба фрезы со щупом.

Поворот (непаралельность) αсн  плоскости вращения вершин зубьев фрезы относительно плоскости исполнительных поверхностей установочных элементов является замыкающим звеном размерной цепи γΔ = αсн, составляющие звенья которой: γ1 –  поворот (непараллельность) плоскости установочных элементов относительно плоскости основания (основной базы) корпуса приспособления; γ2 –  неперпендикулярность оси шпинделя к плоскости стола станка; γ2 – неперпендикулярность    плоскости   расположения вершин зубьев фрезы к оси вращения шпинделя. Из этой размерной цепи:

ωαсн = ω γΔ = ω γ1 + ω γ2  + ω γ3

где ω γ1  –  погрешность изготовления приспособления;

        ω γ2 – погрешность используемого станка, зависящая от неточности его изготовления и последующего неравномерного износа в подвижных соединениях;

        ω γ3 – погрешность установки инструмента (фрезы) в технологическую систему.

Каждое из составляющих звеньев размерной цепи γ в свою очередь является замыкающим звеном соответствующей производной размерной цепи, существующей в одной из подсистем технологической системы: приспособлении, станке, инструменте и т.д. Эти производные размерные цепи приведены на рис. 7.6. Из таких размерных цепей могут быть выявлены причины, источники элементарных составляющих погрешности статической настройки и пути воздействия на них.

Рис. 7.6. Размерные цепи подсистем технологической системы

вертикально-фрезерного станка

Так, размерная цепь β (см. рис. 7.6,а) показывает роль отдельных деталей приспособления и его сборки в образовании части погрешности статической настройки = ωγ1. Анализ этой размерной цепи дает нам путь сокращения   –  повышение точности изготовления приспособления  и соответствующие конкретные меры на этом пути:

– повышение точности изготовления деталей приспособления по размерам β1  и β2 ;

 – обработка     исполнительных    поверхностей    установочных элементов после сборки приспособления в размер γ1.

Из размерной цепи η (см. рис. 7.6,б) вытекает другой путь уменьшения     – повышение   точности   станка   на   момент статической   настройки   технологической системы.   В   этом   направлении   возможны следующие меры:

– выбор станка более высокой точности (γ2= η Δ  - нормируемая величина неточности изготовления станка);

– своевременный ремонт станка для восстановления утраченной из-за   неравномерного   износа   направляющих  точности  по размерам η 1, η 2, η 3 , η4.

Из размерной цепи θ (см. рис. 7.6,в) следует, что для уменьшения части погрешности статической настройки ωγ3 = ωθΔ следует повышать точность изготовления инструмента (по размеру θ1) и точность установки его на шпиндель станка (по размеру θ2).

Анализируя аналогичным образом различные конкретные случаи статической настройки разных технологических систем, можно выявить все возможные пути и меры уменьшения погрешности статическое настройки, приведенные в таблице 7.2.

Таблица 7.2

Пути уменьшения погрешности статической настройки

4. Источники погрешности динамической настройки

и пути ее уменьшения

Во время обработки в зоне резания и во всех частях технологической системы протекают процессы различной физической, химической, физико-химической и др. природы, в результате которых взаимное положение заготовки и инструмента изменяется. К числу таких процессов относятся: динамика резания; пластическая и упругая деформации материала заготовки и отделяемого слоя; тепловыделение в зоне резания, в приводах и подвижных соединениях технологической системы; трение и износ в зоне резания и в подвижных соединениях; вынужденные и собственные колебания (вибрации) технологической системы; химическое и электрохимическое взаимодействие инструмента, СОЖ и обрабатываемого материала; теплопередача внутри технологической системы от более нагретых к менее нагретым частям; теплообмен технологической системы  с окружающей средой и т.д.

Описать результат воздействия этих процессов на технологическую систему  можно с двух принципиально разных точек зрения. Во-первых, можно рассматривать и описывать воздействие этих процессов на каждую часть технологической системы, и с этой точки зрения в размерных цепях статической настройки определять изменение каждого из составляющих звеньев. Например, можно изучать роль приспособления и рассматривать влияние неравномерного его нагрева на звено γ1 или же изменение этого звена γ1 в результате объемных и контактных упругих деформаций, возникающих в приспособлении под действием силы резания. Можно изучать роль рабочего инструмента и рассматривать изменения звена γ3 которые возникают в результате нагрева и частичного охлаждения зуба фрезы за время одного ее оборота, либо в результате объемной тепловой деформации всей фрезы как сборочной единицы, либо другие деформации фрезы под действием сил резания и т.д. Такой подход удобен при изучении отдельных частей технологической системы и характерен для смежных учебных дисциплин технологического цикла "Теория резания", "Металлорежущие станки", "Проектирование режущих инструментов" и т.д.

Объектом же изучения технологии машиностроения является вся работающая технологической система и ее воздействие на результат – получаемый размер. С этой точки зрения все указанные выше изменения в звеньях приводят к изменению взаимного расположения рабочих кромок инструмента и заготовки. Для оценки этого суммарного воздействия удобно пользоваться понятием размера динамической настройки, который практически невозможно измерить, он конструируется нами мысленно, но с его помощью удобно выполнить анализ воздействия всех процессов, сопровождающих собственно обработку, на получаемый технологический размер.